ELEARNING.SK | PR SPRÁVY | GSGROUP | NAJDES.SK | BRIGÁDY, PRÁCA | GLOBALOFFICE.SK | REGISTRAČNÉ VIRTUÁlNE SÍDLO FIRMY | MINCE | CMS | ESHOP | TESTIVA
Prihlásenie:
>Staňte sa redaktorom eQuark.sk

eQuark.sk

Anketa

Ak by ste o tom mohli rozhodnúť práve vy, zaradili by ste Pluto opäť medzi planéty?

Quark

Kreslenie atómovým silovým mikroskopom

29.6.2009 13:20:39 | * q
| Počet zobrazení: 2865x

Rozprávame sa s Ing. Jozefom Martausom, doktorandom na oddelení optoelektroniky Elektrotechnického ústavu SAV v Bratislave.

V elektrotechnickom priemysle došlo v poslednom desaťročí k výraznému zmenšovaniu tranzistorov, ktoré sú základnými stavebnými prvkami elektronických zariadení. V dnešnej dobe má tranzistor typický rozmer 45 nm. Pri ďalšom zmenšovaní jeho rozmerov na 

Aké prístupy a technológie v oblasti nanotechnológií sa využívajú v Elektrotechnickom ústave SAV? 


Pod pojmom nanotechnológie rozumieme súbor technologických postupov vedúcich k príprave štruktúr a súčiastok s rozmerom menším ako 100 nm (nanometer je jedna miliardina metra) aspoň v jednom smere. Na výrobu elektronických štruktúr s rozmerom hlboko pod úrovňou 45 nm je nevyhnutné štúdium technologických a fyzikálnych problémov spojených s ich vývojom. Na to potrebujeme pripraviť testovacie nanoštruktúry a nanosúčiastky čo najjednoduchším spôsobom. V prvom kroku vymeníme objemový polovodič, akým je kremík, za polovodičovú heteroštruktúru, ktorá obsahuje „polovodičiarom“ dobre známy 2DEG, čiže dvojdimenzionálny elektrónový plyn (two-Dimensional Electron Gas – 2DEG). V nasledujúcom kroku tvarujeme 2DEG do želanej nanoštruktúry alebo nanosúčiastky. Nuž a nakoniec prichádza to podstatné, štúdium fyzikálnych javov na pripravených vzorkách.

Polovodičová heteroštruktúra obsahujúca dvojdimenzionálny elektrónový plyn – to znie pomerne exoticky. O aké štruktúry ide a ako ich pripravujete? 


Polovodičová heteroštruktúra sa skladá z dvoch polovodičových materiálov, ktoré majú v ideálnom prípade rovnakú veľkosť kryštalickej mriežky, ale majú rozdielnu šírku zakázaného pásu (zakázaný pás je oblasť oddeľujúca valenčný a vodivostný pás). Keď tieto dva materiály spojíme, vznikne súvislý kryštál s minimom defektov. Na rozhraní spájaných materiálov sa vytvorí potenciálová jama, do ktorej popadajú voľné vodivostné elektróny. Keďže potenciálová jama sa vytvorí po celej ploche rozhrania, výsledkom je „fólia“ zložená z elektrónov, ktorú nazývame 2DEG. U nás pripravujeme polovodičové heteroštruktúry z organometalických zlúčenín pomocou špecializovaného zariadenia, ktoré vlastníme ako jediní na Slovensku.

Čo sa deje po príprave heteroštruktúry? 


Nasleduje rad technologických krokov, ktorými spracujeme pripravenú polovodičovú heteroštruktúru. Medzi najdôležitejšie patria fotolitografia, tvarovanie mokrým alebo suchým leptaním a nanášanie kovových kontaktov. Pomocou týchto krokov vytvoríme mikroštruktúru, čím prepojíme náš makrosvet s mikrosvetom a zadefinujeme si východiskový priestor (napríklad štvorec 10 x 10 µm). V ňom tvarujeme 2DEG do požadovanej nanoštruktúry alebo nanosúčiastky pomocou atómového silového mikroskopu (Atomic Force Microscope – AFM).

Optický mikroskop pozná azda každý z nás, ale málokto počul o atómovom silovom mikroskope. O aký druh mikroskopu ide?  


Predchodcu atómového silového mikroskopu vynašli v roku 1981 Gerd Binnig a Heinrich Rohrer. Za tento objav im už v roku 1986 udelili Nobelovu cenu za fyziku. Pri vynáleze AFM v roku 1986 opäť stál Gerd Binnig spolu s Calvinom Quateom a Christopherom Gerberom. Na rozdiel od optického mikroskopu, ktorým sa skúma povrch vzorky „pohľadom“, atómový silový mikroskop skúma povrch vzorky „dotykom“. Naším „prstom“ je veľmi ostrý hrot (polomer špičky hrotu je menej ako 10 nm) vytvarovaný na voľnom konci pružného nosníka. Hrot kmitá v oblasti príťažlivých síl tesne nad povrchom vzorky. Ako sa hrot pohybuje pozdĺžne nad vzorkou, nerovnosti povrchu spôsobujú nárast alebo pokles príťažlivých síl medzi povrchovými atómami vzorky a atómami špičky hrotu. Z toho plynie názov atómový silový mikroskop. Zmeny príťažlivých síl registrujeme ako súradnicu z pre každú polohu hrotu v rovine x-y. Takto postupne vytvoríme množinu súradníc (x, y, z) každého bodu povrchu skúmanej vzorky. Spôsob získavania dát bod po bode nazývame skenovanie. Po spracovaní nameraných dát softvérom dostávame trojrozmerný obraz povrchu vzorky. Práve získavanie trojrozmerného obrazu o skúmanom povrchu je jednou z najväčších výhod atómového silového mikroskopu oproti optickému či elektrónovému mikroskopu. Rozlíšenie AFM je na úrovni desatín nanometra, čo je vyše tisíckrát lepšie rozlíšenie, než môže dosiahnuť optický mikroskop. To nám umožňuje pozorovať uhlíkové nanorúrky, jednotlivé atomárne roviny v kryštáloch a iné nanorozmerné objekty. Jeho ďalšími prednosťami sú jednoduchá práca s mikroskopom, malé nároky na pracovné prostredie, ako aj jednoduchá príprava vzorky. AFM má však širšie využitie. Hrot vyrobený z magnetického materiálu nám umožní pozorovať rozloženie magnetického poľa vo vzorke. Pomocou hrotu z vodivého materiálu môžeme zasa sledovať distribúciu elektrostatického náboja na povrchu vzorky a podobne. U nás v ústave sa nachádzajú dva AFM. Prvý, jednoduchší, slúži ako kontrolný mikroskop pri výrobe mikroštruktúr v našich čistých priestoroch. Druhý disponuje množstvom skenovacích módov, možnosťou aplikácie externého magnetického poľa na vzorku počas skenovania a ďalšími vymoženosťami, čím sa stáva unikátnym v rámci Slovenska. Tento sofistikovaný model využívame na veľmi presné merania, ako aj na tvarovanie dvojdimenzionálneho elektrónového plynu.

Ako tvarujete dvojdimenzionálny elektrónový plyn pomocou atómového silového mikroskopu? 


Najbežnejšou metódou na jeho tvarovanie, ktorú používame aj my, je lokálna anodická oxidácia. Jej princíp spočíva v tom, že povrch vzorky sa vystaví lokálnemu elektrickému poľu vysokej intenzity, pri ktorom dochádza k fyzikálnym a chemickým zmenám jej materiálu. Hrot atómového silového mikroskopu slúži ako katóda, vzorka predstavuje anódu. Medzi hrot a vzorku pripojíme napätie. Keďže špička hrotu má len niekoľko nanometrov a je vzdialená od povrchu vzorky tiež len niekoľko nanometrov, vytvorí sa medzi nimi veľmi silné elektrické pole. To rozkladá molekuly vody vo vodnom moste, ktorý vznikne zo vzdušnej vlhkosti medzi hrotom a vzorkou. Záporné ióny, tvoriace sa pri rozklade vody, sú tým istým elektrickým poľom urýchľované smerom k vzorke. Reagujú s ňou a vytvárajú oxidy. Oxidovaný materiál vzorky sa lokálne „vyduje“ na mieste, kde pôsobil hrot AFM, pretože má inú hustotu ako daný materiál. Ak počas oxidačného procesu pohybujeme hrotom pozdĺžne ponad vzorkou, vytvoríme tak požadovaný vzor vo forme oxidových čiar, čiže ho vlastne nakreslíme. Vytvorené oxidové čiary zachytávajú elektróny z dvojdimenzionálneho elektrónového plynu, ktoré ležia pod nimi. Zachytené elektróny predstavujú potenciálové bariéry (izoláciu) pre elektróny mimo oxidovanú oblasť. Tým vymedzujú oblasti, v ktorých sa môžu elektróny pohybovať. Keďže hrot je veľmi ostrý, dokážeme vytvárať oxidové čiary so šírkou približne 100 nm, čiže sme schopní veľmi jednoducho pripravovať nanoštruktúry a nanosúčiastky. Techniku lokálnej anodickej oxidácie sme vylepšili tak, že pripravené oxidové čiary odstraňujeme v chemickom roztoku. Po odstránených čiarach zostávajú na povrchu vzorky drážky so šírkou 50 nm, ktoré vykazujú lepšie izolačné vlastnosti ako samotné oxidové čiary. Na rozdiel od zložitých, často drahých tvarovacích techník s nanometrovým rozlíšením, na prácu s atómovým silovým mikroskopom nepotrebujeme komplikovanú prípravu vzoriek, vákuum či špeciálne požiadavky na čistotu. Ide tak o najjednoduchší, rýchly a lacný nástroj na opakovateľnú prípravu nanoštruktúr a nanosúčiastok.

Aké nanosúčiastky pripravujete a aké javy sa na nich dajú pozorovať? 


Pekným a jednoduchým príkladom nanosúčiastky je kvantový bodový kontakt. Pripravíme ho pomocou lokálnej anodickej oxidácie a následného odstránenia oxidových čiar. Jeho topografiu môžeme vidieť na obrázku. Pri veľmi nízkych teplotách (menej ako --269 ºC) vykazuje táto nanosúčiastka zaujímavé fyzikálne vlastnosti, napríklad kvantovanú vodivosť. Kvantový bodový kontakt možno použiť ako extrémne citlivý detektor náboja, s citlivosťou na úrovni jednotlivých elektrónov.

Spomínali ste rôzne špecializované prístroje, ktoré používate na výskum. Ako ich Elektrotechnický ústav SAV získava? 


Komerčné zariadenia sa zväčša nakupujú z finančných prostriedkov pochádzajúcich z rôznych grantov a projektov Európskej únie, Agentúry pre výskum a vývoj, Vedeckej grantovej agentúry a iných. V tomto roku sa ústavu podarilo získať finančné prostriedky z Európskeho štrukturálneho fondu cez operačný program Výskum a vývoj. Tieto prostriedky umožnia nákup nových zariadení, čím sa výrazne posilní technická infraštruktúra ústavu, a tak i jeho konkurencieschopnosť v európskom regióne. Disponujeme však aj vlastnoručne vyrobeným systémom skenovacieho mikroskopu na podrobné mapovanie rozloženia magnetického poľa vo vzorke. Pre tento mikroskop aktuálne vyvíjame sondy s rozlíšením lepším ako mikrometer. Aj tieto sondy pripravujeme z polovodičovej heteroštruktúry pomocou lokálnej anodickej oxidácie.

Človeku, ktorý sa nezaoberá nanotechnológiami, pohľad do takých malých rozmerov nie je prístupný. Ponúkate v ústave možným záujemcom príležitosť nahliadnuť do nanosveta? 


Každý rok Elektrotechnický ústav organizuje Deň otvorených dverí, kedy môžu prísť študenti stredných i vysokých škôl a pozrieť sa, ako to u nás funguje. Pre žiakov je napríklad zaujímavé detailné pozorovanie ľudského vlasu. Optickým mikroskopom vidíme, že vlas sa skladá zo šupiniek, ale nedokážeme zistiť, akú hrúbku majú. Ak skenujeme povrch časti vlasu pomocou atómového silového mikroskopu, výsledkom je trojrozmerný obrázok jednotlivých šupiniek, na ktorom môžeme zmerať ich veľkosť, ako aj hrúbku.

Je zo strany študentov, ktorí k vám prichádzajú počas Dňa otvorených dverí, záujem venovať sa problematike nanotechnológií v Elektrotechnickom ústave SAV? 


Počas Dňa otvorených dverí sa stretávame s obrovským záujmom študentov o všetky problematiky, ktoré riešime. Na minuloročnom Dni otvorených dverí, ktorý sa konal počas Týždňa vedy a techniky na Slovensku, nás navštívilo takmer 200 študentov. Náš ústav ponúka tým, ktorí prejavia záujem hlbšie sa venovať tejto problematike, množstvo tém na diplomovú prácu, ako aj možnosť denného doktorandského štúdia. Počas štúdia má diplomant, respektíve doktorand k dispozícii unikátne experimentálne zariadenia na realizovanie svojich vedeckých zámerov. Výsledky svojej práce môže prezentovať na medzinárodných vedeckých fórach a publikovať v uznávaných medzinárodných časopisoch.

Pripravila ANNA MARTAUSOVÁ

Zdieľaj článok
 
Hodnotenie: 1,92
Príspevok na titulke

Vyberte článok na titulku kliknutím na linku

 

www.brigada.sk - brigády, brigáda, práca, zamestnanie www.najdes.sk - katalóg, portál, vyhľadávač www.equark.sk - veda, výskum, technika www.uvery.sk - úvery, pôžičky, hypotéky www.elearning.sk - elearning, LMS, vzdelávanie, kurzy, elektronické vzdelávanie www.globaloffice.sk - registračné sídlo, virtuálna adresa a kancelária www.globalhosting.sk - domény, doména, webhosting, hosting www.globalweb.sk - CMS, WCMS, redakčný systém, publikačný systém www.globalshop.sk - internetový obchod, eshop, e-commerce Global Services Slovakia s.r.o. - www.gsgroup.sk, informačné systémy, portálové riešenia, intranety, web dizajn

Generuje redakčný CMS systém GlobalWeb spoločnosti Global Services Slovakia s.r.o.