авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Сканирующая зондовая микроскопия твердотельных наноструктур

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Миронов Виктор Леонидович

СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физикоматематических наук

Нижний Новгород – 2009 г.

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте физики микроструктур РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН

Латышев Александр Васильевич;

зам. директора Института физики полупроводников СО РАН, Новосибирск

доктор физико-математических наук,

профессор, начальник лаборатории Попков Анатолий Федорович;

ФГУП НИИ физических проблем

им. Ф.В.Лукина, Москва, Зеленоград

доктор физико-математических наук

главный научный сотрудник,

заведующий лабораторией

Титков Александр Николаевич;

Физико-технический институт

им. А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Казанский физико-технический институт

им. Е.К.Завойского

Казанского научного центра РАН

Защита состоится “ ” г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 002.098.01

в Институте физики микроструктур РАН

по адресу 603950, Нижний Новгород, ГСП-105.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан “ ” г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор К.П.Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 20 лет зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования и модификации свойств поверхности, тонкопленочных структур и наноструктур на их основе.

Бурное развитие методов СЗМ, таких, как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия (МСМ) и их успешное применение для исследований самых разнообразных объектов обусловлено несколькими аспектами:

- простота и высокая эффективность СЗМ методик способствовали их широкому распространению во многих областях науки и техники;

- сканирующие зондовые микроскопы позволяют проводить исследования в широком интервале температур и при различных внешних условиях: на воздухе, в вакууме, в жидких и газообразных средах, в присутствии внешних электромагнитных полей и др., обеспечивая при этом высокое (вплоть до атомарного) пространственное разрешение;



- зондовая микроскопия предоставляет возможности получения комплексной информации с одного и того же места исследуемого объекта посредством применения различных СЗМ методик.

- СЗМ обладает высокой сочетаемостью с другими методами исследования механических, оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел;

- с развитием методов СЗМ появились уникальные возможности локального активного воздействия на структуру и свойства исследуемых объектов, что обусловило развитие целого ряда новых направлений в нанотехнологии.

Вместе с тем, при разработке новых СЗМ методик и при исследовании новых объектов часто приходится сталкиваться с решением целого ряда методологических проблем. В качестве наиболее общих и важных проблем можно указать следующие:

  • проблема влияния зонда на структуру и свойства исследуемых образцов, диагностика искажений СЗМ изображений, связанных с таким влиянием и исключение приборных артефактов из СЗМ изображений;
  • проблема интерпретации результатов СЗМ исследований с учетом особенностей формирования контраста в различных СЗМ методиках и для различных конкретных образцов;
  • метрологические проблемы СЗМ, связанные с получением количественных характеристик свойств исследуемых объектов;
  • установление взаимного соответствия между экспериментальными данными, получаемыми методами СЗМ, и другими методами диагностики свойств твердых тел;
  • развитие новых методик измерений, предоставляющих более адекватную информацию об исследуемых объектах;
  • разработка методов локальной селективной модификации свойств исследуемых образцов.

В той или иной мере все эти проблемы решались в диссертационной работе в применении к СЗМ исследованиям достаточно широкого круга твердотельных тонкопленочных структур с существенно различающимися свойствами.

Представленная работа посвящена развитию методов зондовой микроскопии и их применению для исследования поверхности твердого тела и локальных свойств перспективных тонкопленочных структур, таких, как полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами и точками, являющиеся основой для создания эффективных инжекционных лазеров и фотоприемников инфракрасного диапазона длин волн [1-3]; магнитные наноструктуры, интерес к которым обусловлен возможностью их применения в качестве дискретных сред в системах магнитной записи информации с высокой плотностью, для изготовления управляемых источников сильно неоднородных магнитных полей и для создания приборов наноспинтроники [4-6].

Актуальность представленной работы обусловлена, с одной стороны, важностью объектов исследований (тонкопленочные структуры и наноструктуры на основе полупроводников и ферромагнетиков интенсивно изучаются многими научными группами с помощью различных методов, что объясняется как интересом к их фундаментальным свойствам, так и перспективностью их практических применений в современной микроэлектронике), а, с другой стороны новизной и перспективностью методов, развиваемых для исследования данных структур. При этом выбор направлений развития СЗМ методик и выбор образцов для исследования были продиктованы практическими задачами, связанными с основными направлениями научной тематики Института физики микроструктур РАН.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы являлась разработка новых методик сканирующей зондовой микроскопии и их применение для исследования локальных (на нанометровых масштабах) свойств поверхности твердых тел, а также твердотельных тонкопленочных структур и наноструктур на основе полупроводников и ферромагнетиков, имеющих важное значение для приложений в микроэлектронике.

Основными задачами данной работы являлись:

  1. Проведение сравнительных исследований наномасштабных шероховатостей поверхности твердого тела методами сканирующей зондовой микроскопии и рентгеновской рефлектометрии (РРМ). Разработка СЗМ методики определения эффективных параметров рельефа поверхности, характеризующих рассеяние рентгеновского излучения, для диагностики шероховатостей подложек, применяемых при изготовлении элементов оптики рентгеновского диапазона длин волн.
  2. Разработка аппаратуры и СЗМ методик регистрации локального фототока в фоточувствительных полупроводниковых структурах. Исследование локальных спектральных зависимостей фотопроводимости и неоднородности фотолюминесцентных свойств полупроводниковых гетероструктур InxGa1-xAs/GaAs с квантовыми ямами и точками.
  3. Разработка СЗМ методик визуализации и модификации магнитного состояния массивов ферромагнитных наночастиц с целью создания конфигурируемых источников сильно неоднородного магнитного поля и перспективных дискретных сред для записи информации.

Научная новизна

  1. Проведены сравнительные исследования микрошероховатости поверхности серии тестовых подложек с различными типами поверхностного рельефа методами атомной силовой микроскопии и рентгеновской рефлектометрии. Показано, что в случае поверхностей, имеющих негауссово распределение по высотам, наблюдается расхождение в оценках параметров среднеквадратичного отклонения и корреляционной длины, полученных из угловых РРМ зависимостей интенсивности зеркальной и диффузной компонент рассеянного рентгеновского излучения, и из расчетов по АСМ профилям поверхности. Показано, что метод АСМ дает более адекватную по сравнению с методом РРМ информацию о геометрических характеристиках ансамбля шероховатостей поверхности.
  2. Предложена оригинальная СТМ методика регистрации спектральных зависимостей локального фототока в полупроводниковых квантоворазмерных структурах с высоким пространственным разрешением. Исследованы СТМ спектры фототока в гетероструктурах InxGa1-xAs/GaAs с квантовыми ямами и квантовыми точками, расположенными на различной глубине относительно приповерхностной области пространственного заряда. Для квантовых точек InAs, выращенных на поверхности образца, впервые получены спектры фототока, содержащие особенности, связанные с переходами носителей между уровнями размерного квантования в смачивающем слое InAs и квантовых точках.

4. В субмикронных эллиптических ферромагнитных частицах обнаружены индуцированные зондом МСМ обратимые переходы между однородным и вихревым состояниями намагниченности. Показана возможность управления направлением завихренности магнитного вихря в процессе перехода частицы из однородного в вихревое состояние.

5. Исследованы состояния намагниченности в наночастицах, состоящих из двух слоев ферромагнетика, разделенных немагнитной прослойкой.
В таких объектах впервые наблюдались индуцированные зондом МСМ переходы между состояниями с ферромагнитным упорядочением (вектора магнитных моментов в соседних ферромагнитных слоях сонаправлены) и антиферромагнитным упорядочением (вектора магнитных моментов в соседних ферромагнитных слоях направлены в противоположные стороны).

6. Проведены МСМ исследования многослойных ферромагнитных наночастиц в виде круглых дисков, содержащих три слоя ферромагнетика, разделенных немагнитными прослойками. Впервые экспериментально наблюдались состояния, отвечающие неколлинеарным (геликоидальным) распределениям намагниченности в таких объектах.

7. Проведены экспериментальные МСМ исследования особенностей локального перемагничивания нанодисков CoPt с перпендикулярной магнитной анизотропией. Показано, что индуцированный зондом МСМ процесс перемагничивания таких частиц осуществляется через неоднородное вихреподобное состояние, характеризуемое более низким энергетическим барьером по сравнению с однородными модами перемагничивания во внешнем однородном магнитном поле.

Практическая значимость

  1. Разработана методика определения эффективных параметров шероховатостей поверхности подложек, характеризующих рассеяние рентгеновского излучения, основанная на расчете угловых зависимостей отраженного излучения непосредственно по АСМ профилям поверхности.
  2. Разработана методика формирования комбинированных подложек полимер-стекло сложной формы с малой поверхностной шероховатостью, основанная на репликации эталонных поверхностей тонкими слоями полимерных материалов
  3. Создан сканирующий туннельный микроскоп с оптической подсветкой рабочего промежутка зонд - образец. Разработана методика регистрации спектральных зависимостей и пространственного распределения локального фототока в полупроводниковых гетероструктурах.
  4. Разработана методика локального селективного перемагничивания субмикронных эллиптических ферромагнитных частиц посредством возмущения распределения намагниченности неоднородным полем зонда магнитно-силового микроскопа, позволяющая реализовать конфигурируемые источники сильно неоднородного магнитного поля на основе массивов ферромагнитных наночастиц.
  5. Разработана методика локального перемагничивания нанодисков CoPt с перпендикулярной магнитной анизотропией посредством однократного касания зондом МСМ. На массиве частиц диаметром 35 нм с расстоянием между частицами 120 нм продемонстрирована возможность МСМ записи информации с плотностью на уровне 40 Gbit/in2.

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках проектов РФФИ, программ Президиума РАН, программ ОФН РАН, Федеральных целевых научно-технических программ и ряда государственных контрактов Министерства промышленности, науки и технологий России и Федерального агентства по науке и инновациям РФ.





На основе материалов, изложенных в диссертации, подготовлен курс лекций Основы сканирующей зондовой микроскопии [7], в течение ряда лет читаемый автором студентам старших курсов ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Личный вклад автора

При постановке задач, разработке теоретических моделей, анализе полученных результатов и представления их в печати - определяющий. Непосредственное участие в создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований.

Разработка зондовых микроскопов [A1, A4, A5] - совместно с Д.Г.Волгуновым. Разработка методики определения эффективных параметров шероховатостей по данным АСМ [A8, А11] - совместно с А.А.Фраерманом, С.В.Гапоновым и Н.Н.Салащенко. Исследования наномасштабной репликации поверхности при помощи тонких слоев полимерных материалов [A12, A13] - совместно с Б.А.Грибковым и Д.Г.Волгуновым. Разработка методики регистрации спектральных зависимостей локального фототока в полупроводниковых структурах с помощью СТМ [A7, A9] - совместно с В.Я.Алешкиным. Разработка методик перемагничивания ферромагнитных наночастиц зондом МСМ [A16, A22, A24, A28] - совместно с Б.А.Грибковым. Исследования влияния зонда МСМ на намагниченность исследуемых образцов [A26, A36] - совместно с О.Л.Ермолаевой. Исследования магнитных состояний многослойных ферромагнитных наночастиц [A34] - совместно с А.А.Фраерманом и Б.А.Грибковым. В совместных работах вклад равнозначный.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Разработанная методика зондовых измерений и обработки данных атомно-силовой микроскопии поверхности твердых тел позволяет рассчитывать эффективные параметры поверхностного рельефа, характеризующие рассеяние рентгеновского излучения.
  2. Разработанный метод репликации эталонных поверхностей с помощью тонких слоев полимерных материалов позволяет изготавливать подложки сложной формы с эффективной шероховатостью на уровне 0,3 нм, пригодные для создания элементов отражательной оптики рентгеновского диапазона длин волн.
  3. СТМ спектры фототока в гетероструктурах InAs/GaAs с квантовыми точками, расположенными на поверхности образца, содержат особенности, обусловленные переходами носителей между уровнями размерного квантования в смачивающем слое и в квантовых точках.
  4. Экспериментально зарегистрированные распределения МСМ контраста от многослойных нанодисков, состоящих из двух слоев ферромагнетика, разделенных немагнитной прослойкой, соответствуют состояниям с ферромагнитной и антиферромагнитной ориентацией магнитных моментов в соседних слоях ферромагнетика.
  5. Спиральные распределения МСМ контраста от многослойных нанодисков, состоящих из трех слоев ферромагнетика с сильным магнитостатическим взаимодействием между слоями, соответствуют неколлинеарной (геликоидальной) структуре намагниченности.
  6. Направление магнитного момента эллиптической однородно намагниченной ферромагнитной наночастицы может быть изменено на противоположное посредством возмущения распределения намагниченности в процессе несимметричного прохода зонда над частицей.
  7. В эллиптических ферромагнитных частицах направление завихренности магнитного вихря может быть изменено под действием поля зонда МСМ посредством двухстадийного процесса, сопровождающегося переходом из вихревого состояния в однородное, а затем вновь в вихревое с противоположным направлением завихренности.
  8. Процесс перемагничивания нанодисков CoPt с перпендикулярной магнитной анизотропией, индуцированный зондом МСМ, осуществляется через неоднородное вихреподобное состояние, характеризуемое более низким энергетическим барьером по сравнению с однородными модами перемагничивания во внешнем однородном магнитном поле.

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы докладывались на 59 российских и международных конференциях. В их число входят:

  • Всероссийские совещания Зондовая микроскопия - 97, 99, 2000, Н.Новгород, 1997, 1999, 2000 гг.
  • III и IV Российские конференции по физике полупроводников Полупроводники97, Москва, 1997, Полупроводники99, Новосибирск, 1999.
  • Всероссийские совещания Нанофотоника - 99, 2000, Н.Новгород, 1999, 2000 гг.
  • 7th and 8th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, 1999, 2000.
  • International Symposiums Nanomeeting-99, 2001, 2003, 2005, Minsk, 1999, 2001, 2003, 2005.
  • XI, XII, XIV, XV и XVI Российские симпозиумы по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ-99, 2001, 2005, 2007, 2009, п. Черноголовка, 1999, 2001, 2005, 2007, 2009.
  • 7th International Superconductive Electronics Conference, Clermont Resort, Berkley, CA, USA, 1999.
  • International Conference Advanced optical materials and devices, Vilnius, Lithuania, 2000.
  • XVIII, XIX, XXI и XXII Российские конференции по растровой электронной микроскопии "РЭМ-2000, 2002, 2006, 2008", п. Черноголовка, 2000, 2002, 2006, 2008.
  • Всероссийские совещания Рентгеновская оптика – 2000, 2002, 2003, 2004 Н.Новгород, 2000, 2002, 2003, 2004.
  • IV, V и VI Белорусские семинары по сканирующей зондовой микроскопии "БелСЗМ-2000", Гомель, 2000, БелСЗМ-2002, 2004, Минск, 2002, 2004.
  • International workshops Scanning Probe Microscopy – 2001, 2002, 2003, 2004, N.Novgorod, 2001, 2002, 2003, 2004.
  • International Conference Interaction of radiation with solids, Minsk, 2001.
  • 7-th international conference on nanometer-scale science and technology and 21-st European conference on surface science NANO-7, ECOSS-21, Malmo, Sweden, 2002.
  • 38th IUVSTA Workshop and ISF Workshop Electronic Processes and Sensing on the Nanoscale, Eilat, Israel, 2003.
  • International conference Micro- and nano electronics – 2003, 2007, Zvenigorod, 2003, 2007.
  • International conference EASTMAG-2004, 2007, Krasnoyarsk, 2004, Kazan, 2007.
  • Международные симпозиумы Нанофизика и наноэлектроника – 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, Н.Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009.
  • Moscow International Symposium on Magnetism MISM – 2005, 2008, Moscow, 2005, 2008.
  • International Conference Functional Materials (ICFM – 2005, 2007), Partenit, Ukraine, 2005, 2007.
  • X международная школа-семинар Новые магнитные материалы микроэлектроники, Москва, 2006.
  • X международная научная конференция Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, Дивноморск, 2006.
  • VII и VIII международные семинары Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии, Минск, Беларусь, 2006, 2008.
  • International Conference on Nanoscience and Technology ICN&T 2006, Basel, Switzerland, 2006.
  • International Conference NanoTech Insight, Luxor, Egypt, 2007.
  • International Conference on Nanoscale Magnetism ICNM-2007, Istanbul, Turkey, 2007.
  • International Conference on Magnetic materials, Kolkata, India, 2007.

Публикации



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.