Влияние испарения и дрейфа на создание наномасштабных структур

Влияние испарения и дрейфа на создание наномасштабных структур П.Е. Железов, Ю.С. Тихоглаз, Б.Б. Юсупов факультет Электроники Многие кристаллы при разных давлениях и температурах имеют различные структуры (модификации), которые следует рассматривать как самостоятельные фазы. Если кристалл находится в равновесии со своим расплавом или паром, то система состоит из двух фаз. В случае равновесия между кристаллом, расплавом и паром говорят о трехфазной системе, все три части которой отделены ограничивающими поверхностями друг от друга и могут быть разделены физическими методами. Для любой гетерогенной системы число фаз, находящихся в равновесии друг с другом не зависимо от атомной природы участвующих веществ определяется правилом фаз Гиббса: , т.е. число фаз P плюс число степеней свободы F равно числу компонентов (составных частей) K плюс 2. Число независимых компонентов используют в учении о равновесии для классификации и различают соответственно одно-, двух- и многокомпонентные системы. В зависимости от числа фаз и компонентов с помощью правила фаз определяется число степеней свободы, т.е. число независимых переменных (давление, температура и концентрация компонентов), которое можно менять, не нарушая равновесия фаз, т.е. не допуская возникновения новых или исчезновения старых фаз. В соответствии с правилом фаз Гиббса между числом степеней свободы и числом фаз, которые находятся в равновесии друг с другом, существует определенная зависимость, которую иллюстрирует следующая таблица: Число фаз P Число степеней свободы F Система 1 2 Двухвариантная 2 1 Одновариантная 3 0 Безвариантная Табл.1 Применение правила фаз Гиббса к однокомпонентной системе. Кривая равновесия твердое тело – пар в диаграмме р-Т называется кривой сублимации. На рис.1 представлены для некоторого вещества кривые равновесия: твердое тело- пар, твердое тело – жидкость, жидкость - пар. Они пересекаются в тройной точке М, где вещество находится одновременно в твердой, жидкой и паровой фазах, которые равновесно сосуществуют друг с другом. Испарение твердых тел (сублимация), происходящее при любой температуре, сопровождается поглощением теплоты испарения, затрачиваемой на преодоление сил связи между частицами твердого тела и на «отрыв» частиц с поверхности кристалла. Разность между удельными теплотами испарения твердых тел и жидкостей при температуре плавления равна удельной теплоте плавления. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура вещества зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением рабочей поверхности подложки. Скорость испарения зависит: от температуры поверхности, концентрации молекул вблизи подложки, давления насыщенного пара у поверхности пара. И вычисляется по следующей формуле: , где Qm1 – массовый поток газа испарения с поверхности подложки; Pнас – давление насыщенного пара у поверхности подложки; M – молекулярная масса; R – газовая постоянная; Tпов – температура поверхности подложки. При этом давление насыщенного пара будет вычисляться по формуле: , где Еисп – энергия испарения молекул с поверхности подложки; с – константа интегрирования. Для обнаружения и исследования испарения широко используется подход, основанный на комбинации метода лазерной атомно-флуоресцентной спектрометрии (ЛАФС) и атомизатора переменного давления (АПД) на основе графитовой печи. АПД позволяет работать в широком диапазоне давлений буферного газа и разделять одновременно протекающие процессы атомизации и испарения, а ЛАФС с его высокой чувствительностью позволяет работать с малыми содержаниями элементов даже при давлениях порядка мбар. При исследовании процесса испарения In и Ga в графитовой печи в широком диапазоне экспериментальных условий - давления буферного газа (Р), температуры (Т), скорости нагрева (dT/dt) для образцов с содержанием элемента 2-200 нг, обнаружено, что аналитические сигналы In и Ga нелинейно зависят от давления. При исследовании этих зависимостей было выявлено, что с увеличением скорости нагрева, при неизменных остальных параметрах, кривая испарения сдвигается в сторону высоких температур, где количество атомов, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию их связи с другими атомами, растет экспоненциально. Основная особенность всех типов наноматериалов (нанопористых, нанокристаллических, нанокомпозитных систем) заключается в преобладающей роли поверхности, а не объема. Поскольку структура поверхности как границы раздела «твердое тело - окружающая среда» значительно отличается от структуры объема, можно говорить о существенно дефектной (по отношению к объему) структуре поверхности и ожидать заметного изменения характеристик материала. Поэтому процесс испарения атомов с поверхности подложки, негативно влияет на создание наноструктуры. При прохождении электрического тока через ионизованный газ электроны, помимо скорости их беспорядочного теплового движения, приобретают небольшую скорость, направленную вдоль электрического поля. В этом случае говорят о токовой дрейфовой скорости. Вторым примером может служить дрейф заряженных частиц в скрещённых полях, когда на частицу действуют взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Скорость такого дрейфа численно равна cE/H, где с - скорость света, Е - напряжённость электрического поля в СГС системе единиц, Н - напряжённость магнитного поля в эрстедах. Эта скорость направлена перпендикулярно к Е и Н и накладывается на тепловую скорость частиц. Двигаясь ускоренно в электрическом поле, электрон приобретает дополнительную скорость вдоль поля, которую теряет в результате очередного столкновения. Среднее значение этой скорости дрейфа пропорционально напряженности поля. vдр = mn E Коэффициент пропорциональности mn называется подвижностью электронов. Его численное значение, равное скорости дрейфа в поле единичной напряженности, зависит от материала и температуры Фиксируются различные виды дрейфа с помощью специальных приборов. Нельзя не отметить негативное влияние дрейфа заряженных частиц (атомов) по поверхности подложки на создание наноструктуры. При дрейфе очень сложно выделить какой-то отдельный атом, что делает практически невозможным создание структур наномасштаба. В качестве способов для уменьшения влияния испарения и дрейфа на создание наномасштабных структур применяют различные приборы, создающие и поддерживающие одинаковые условия в течение всего технологического процесса. Либо как способ решения проблемы дрейфа используется прибор, в камере которого создают продольное магнитное поле, параллельное электрическому полю между катодом и анодом. Это поле закручивает траектории электронов, летящих по направлению к стенкам, и тем самым предотвращает накопление на них отрицательного заряда и дрейф к стенкам положительных ионов. Есть и другие способы решения данной проблемы. Для снижения теплового дрейфа осаждаемых частиц предложено технологическое решение: устройство для наноперемещений, которое позволяет снизить тепловой дрейф осажденных частиц при проведении технологического процесса проведения наноструктур. Нанотехнологическое устройство перемещений (рис.2), содержит основание 1, установленный на нем пьезопривод 2, на торце 3 которого закреплен зонд 4, подложку 5, закрепленную на платформе 6, блок питания 7, связанный с зондом 4, и подложкой 5. Основание 1 и платформа 6 выполнены в форме пластин 8,9 плоского конденсатора 10, пьезопривод 2 и подложка 5 электрически изолированы от основания 1 и платформы 6 посредством диэлектрических пластин 11,12, устройство снабжено дополнительным блоком питания 13, связанным с пластинами 8,9 плоского конденсатора 10. Нанотехнологическое устройство перемещений работает следующим образом. При подаче напряжения между зондом (4) и подложкой (5) формируется нанотехнологический рисунок, который под действием теплового излучения может дрейфовать, т.е. не только изменять положение в пространстве, но и форму и размеры. Для исключения такого негативного явления на пластины (8,9) подается напряжение от дополнительного блока питания (13). В результате создается дополнительное электрическое поле, и при уходе зонда от места проведения нанотехнологической операции образовавшийся нанорисунок удерживается и не дрейфует по плоскости подложки. Таким образом, исключается возможность дрейфа нанорисунка. Применение предложенного устройства позволяет снизить дрейф частиц, тем самым, увеличивая его производительность. Список используемой литературы 1.© 2001 Russ Portal Company Ltd. © 2001 "Большая Российская энциклопедия" 2. Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии / Учебное пособие /М: МИЭТ, 2000г 3. Технологическое устройство для наноперемещений. Свидетельство на полезную модель № 30041 10.06.2003г Бюл. №16 4. Неволин В.К. (1993) Локальная электродинамическая модификация поверхности подложек. // Электронная промышленность, 10, 23-25 5. Неволин В.К. (1993) Туннельно-зондовая нанотехнология в газах и жидкостях. // Электронная промышленность, 10, 11-15 6. Неволин В.К. (1993) Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии. // Электронная промышленность, 10, 8-11 7. Неволин В.К. (1993) Электронные устройства с элементами нанометровых размеров. // Электронная промышленность, 10, 20 8. Сугихара К., Мори И., Тодзе Т., Ито Т., Табата М., Синодзаки Т. (1989) Пьезоэлектрический столик с двумя поступательными и одной вращательной степенями свободы для субмикронных литографических систем. //ПНИ, 9, 101-105 9. Тиг И., Янг Р., Скайр Ф., Джиллсинн Д. (1988) Координатный столик для микропрофилометрии. // ПНИ, 1, 53-60 10. Фрон Й., Вольф Й., Безокке К., Теске М. (1989) Устройство грубой регулировки зазора между иглой и образцом в растровом туннельном микроскопе. // ПНИ, 6, 129-130 11. Железов П.Е., Ивашов Е.Н., Коломейцев Н.П., Кондратьев Д.П., Тихоглаз Ю.С., Юсупов Б.Б. Нанотехнологическое устройство перемещений. Патент РФ на пол. мод. №43111. Опубликована 27.12.04 Б.№36

Похожие:

	Реферат по биологии на тему: «Генная инженерия» Цель ее – создание новых генетических структур, в конечном счете – создание организмов с новыми наследственными свойствами		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Измерить время, необходимое для их испарения. Объяснить разницу в скорости испарения
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Выяснить отличие простого испарения с какой-либо поверхности от испарения в живом организме		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Дидактические формировать познания о явлениях испарения и конденсации, исследовать факторы, влияющие на скорость испарения
	Анализ воспитательной работы Создание и поддержание условий для формирования личностных структур, обеспечивающих высокий уровень развития личностного потенциала...		Магические квадраты Некоторые выдающиеся математики посвятили свои работы магическим квадратам и полученные ими результаты оказали влияние на развитие...
	141980, Московская область, Дубна, ул. Жолио Кюри,6 Основы технологии связывания (сращивания) протонированных пластин кремния с гидрофильными подложками при получении структур кремний...		Пятая всероссийская конференция с международным участием «новые информационные... Цель конференции: обмен результатами исследований в области новых информационных технологий в исследовании сложных структур
	«особенности формирования солянокупольных структур в прикаспийской впадине» Ю. А. Воложа (1990) приурочена к зоне развития «глетчерообразных» соляно-купольных структур. При изучении особенностей строения площади...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью работы является создание единого методического пространства как открытой развивающей образовательной среды, где обеспечивается:...
	Журнала ...		Создание и редактирование документов, презентаций, таблиц Индивидуальные и коллективные работы над фотографиями, создание коллажей и тд. Создание своих семейных альбомов с родителями
	Подразделения охраны уголовно-исполнительной системы на фоне реформирования... Вания. Этому немаловажному процессу подверглись практически все сферы жизнедеятельности общества. После распада СССР и смутных 90-х...		Программа дисциплины "Исторический анализ структур повседневности" Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки 030600....
	«Русский язык и культура речи» Первоначально научное изложение было приближено к стилю художественного повествования, но создание в греческом языке, распространявшем...		Реферат Факторы, влияющие на скорость испарения воды ...