Depozice indukovaná elektronovým paprskem
Depozice indukovaná elektronovým paprskem (EBID) je proces, při kterém se molekuly plynu rozkládají působením paprsku elektronů a dochází k ukládání netěkavých látek na pevné povrchy. Zdrojem paprsku elektronů obvykle bývá rastrovací elektronový mikroskop, díky čemuž se dosahuje vysoké prostorové přesnosti (i pod 1 nanometr) a lze vytvořit nepohybující se trojrozměrné struktury.
Průběh
editovatVětšinou se používá soustředěný elektronový paprsek z rastrovacího nebo transmisního elektronového mikroskopu. Dá se též použít depozice indukovaná paprskem iontů (IBID), kde se místo elektronového používá soustředěný paprsek iontů. Zdroji jsou zpravidla pevné nebo kapalné látky, jež se převedou do plynného skupenství odpařením nebo sublimací, a kontrolovaně aplikují do prostoru obsahujícího vysoké vakuum. Pevné látky lze sublimovat i samotným paprskem elektronů.
Pokud depozice probíhá za vysokých teplot nebo se do procesu zapojují žíravé plyny, tak se používají speciální vakuové komory,[1] oddělené od mikroskopu, a paprsek prochází několikamikrometrovým otvorem. Malá velikost tohoto otvoru udržuje v mikroskopu vakuum a zachovává přítomnost vzduchu v depoziční komoře. Tento způsob depozice lze použít u diamantu.[1][2]
Za přítomnosti prekurzorového plynu prochází svazek elektronů substrátem, čímž vyvolává ukládání materiálu na použitém povrchu; proces bývá řízen počítači. Rychlost ukládání závisí na řadě parametrů, jako jsou parciální tlak prekurzoru, teplota substrátu, vlastnosti elektronového paprsku a hustota použitého proudu; většinou jde řádově o desítky nm/s.[3]
Mechanismus
editovatEnergie elektronů se zpravidla pohybují mezi 10 a 300 keV, kdy mají reakce způsobované dopady elektronů, například disociace prekurzoru, malé účinné průřezy. Většinový podíl mají na rozkladu elektrony s nízkými energiemi: nízkoenergetické sekundární elektrony procházejí rozhraním substrát-vakuum a navyšují celkovou hustotu proudu; významný podíl mají též nepružně odražené elektrony.[3][4][5]
Prostorové rozlišení
editovatPrimární elektrony mohou být soustředěny do oblastí o velikosti okolo 0,045 nm.[6] Nejmenší vytvořené struktury měly průměr přibližně 0,7 nm.[7] Tyto elektrony se od substrátu (v závislosti na své energii) mohou oddělit několik mikrometrů od místa dopadu elektronového paprsku, takže k ukládání materiálu nedochází vždy na zasaženém místě. K vyrovnání této odchylky lze použít kompenzační algoritmy.
Materiály a prekurzory
editovatDepozici indukovanou elektronovým paprskem lze použít k tvorbě vrstev, mimo jiné, Al, Au, amorfního uhlíku, diamantu, Co, Cr, Cu, Fe, GaAs, GaN, Ge, Mo, Nb, Ni, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Re, Si, Si3N4, SiOx, TiOx a W.[3] Omezení představuje dostupnost prekurzorů, které musí být plynné nebo mít nízkou teplotu sublimace.
K ukládání jednotlivých chemických prvků se nejčastěji používají karbonyly kovů, typu Me(CO)x, a metaloceny. Jsou snadno dostupné, ale kvůli zapojení atomů uhlíku z CO ligandů mají často nízký obsah kovu.[3][8]
Halogenidy kovů, jako je fluorid wolframový (WF6), umožňují lepší ukládání, ale obtížně se skladují, protože jsou toxické a žíravé.[3] Smíšené materiály bývají ukládány s využitím speciálních plynů, například nitrid gallitý (GaN) pomocí D2GaN3.[3]
Výhody
editovat- Snadno ovladatelný tvar a složení ukládané vrstvy; elektronový paprsek se lehce řídí a lze použít mnoho různých prekurzorů.
- Velmi dobrá přesnost ukládání
- Deponovaný materiál je možné zkoumat v průběhu depozice nebo po ní transmisním elektronovým mikroskopem, spektroskopií ztráty energie elektronů, energeticko-disperzní rentgenovou spektroskopií nebo elektronovou difrakcí.
Nevýhody
editovat- Pomalý průběh depozice a sériová depozice snižují účinnost a brání využití ve větším měřítku.
- Řízení chemického složení ukládané vrstvy je obtížné, protože způsoby rozkladu prekurzorů z velké části nejsou známy.
Depozice indukovaná iontovým paprskem
editovatDepozice indukovaná iontovým paprskem (IBID) je podobná EBID, hlavním rozdílem je použití soustředěného paprsku iontů; nejčastěji jde o Ga+ s energií 30 keV. U obou postupů jsou tím, co vyvolává depozici, sekundární elektrony. IBID hmá oproti EBID tyto nevýhody:
- Větší úhlový rozptyl sekundárních elektronů a tím i nižší úhlové rozlišení.
- Ionty Ga+ způsobují kontaminaci a radiační poškození deponované struktury a jsou tak méně vhodné pro využití v elektronice.[8]
- Depozice probíhá za použití soustředného paprsku iontů, což znesnadňuje zkoumání složení ukládané vrstvy v průběhu procesu nebo krátce po něm. Použít lze pouze rastrovací elektronovou mikroskopii využívající sekundární elektrony, a i tato metoda je omezena krátkým časem pozorování kvůli poškozením způsobovaným paprskem Ga+. Tento nedostatek lze překonat použitím zdvojeného přístroje spojujícího rastrovací elektronový mikroskop a soustředěný paprsek elektronů.
Výhodami IBID jsou rychlejší depozice a lepší čistota vrstvy.
Tvary
editovatPomocí počítačově řízené depozice indukované elektronovým paprskem lze vytvořit v podstatě jakýkoliv trojrozměrný tvar; pouze je třeba, aby byla na substrát navázána základní struktura. K tvarům získaným tímto postupem patří:
-
Tvorba nanostruktury pomocí IBID
-
Model bakteriofágu vytvořený IBID
-
Model šikmé věže v Pise vytvořený IBID
-
Písmeno Φ sestavené pomocí EBID
Odkazy
editovatReference
editovatV tomto článku byl použit překlad textu z článku Electron beam-induced deposition na anglické Wikipedii.
- ↑ a b Shuji Kiyohara; Hideaki Takamatsu; Katsumi Mori. Microfabrication of diamond films by localized electron beam chemical vapour deposition. Semiconductor Science and Technology. 2002, s. 1096. DOI 10.1088/0268-1242/17/10/311. Bibcode 2002SeScT..17.1096K.
- ↑ A. Nayak; H. D. Banerjee. Electron beam activated plasma chemical vapour deposition of polycrystalline diamond films. Physica Status Solidi A. 1995, s. 107–112. DOI 10.1002/pssa.2211510112. Bibcode 1995PSSAR.151..107N.
- ↑ a b c d e f S. Randolph; J. Fowlkes; P. Rack. Focused, Nanoscale Electron-Beam-Induced Deposition and Etching. Critical Reviews of Solid State and Materials Sciences. 2006, s. 55. DOI 10.1080/10408430600930438. Bibcode 2006CRSSM..31...55R.
- ↑ a b c d K. Furuya. Nanofabrication by advanced electron microscopy using intense and focused beam. Science and Technology of Advanced Materials. 2008, s. 014110. DOI 10.1088/1468-6996/9/1/014110. PMID 27877936. Bibcode 2008STAdM...9a4110F.
- ↑ M. Song; K. Furuya. Fabrication and characterization of nanostructures on insulator substrates by electron-beam-induced deposition. Science and Technology of Advanced Materials. 2008, s. 023002. DOI 10.1088/1468-6996/9/2/023002. PMID 27877950. Bibcode 2008STAdM...9b3002S.
- ↑ Rolf Erni; M. D. Rossell; C. Kisielowski; U. Dahmen. Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe. Physical Review Letters. 2009, s. 096101. Dostupné online. DOI 10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535. Bibcode 2009PhRvL.102i6101E.
- ↑ Willem F. Van Dorp. Approaching the Resolution Limit of Nanometer-Scale Electron Beam-Induced Deposition. Nano Letters. 2005, s. 1303–1307. DOI 10.1021/nl050522i. PMID 16178228. Bibcode 2005NanoL...5.1303V.
- ↑ a b c I. Luxmoore; I. Ross; A. Cullis; P. Fry; J. Orr; P. Buckle; J. Jefferson. Low temperature electrical characterisation of tungsten nano-wires fabricated by electron and ion beam induced chemical vapour deposition. Thin Solid Films. 2007, s. 6791. DOI 10.1016/j.tsf.2007.02.029. Bibcode 2007TSF...515.6791L.
Související články
editovat- Elektronový mikroskop
- Soustředěný paprsek iontů
- Karbonyly kovů
- Metaloceny
- Organokovová chemie
- Rastrovací elektronový mikroskop
- Rastrovací transmisní elektronový mikroskop
- Transmisní elektronový mikroskop
Externí odkazy
editovat- Obrázky, zvuky či videa k tématu Depozice indukovaná elektronovým paprskem na Wikimedia Commons