Atomic-terrasseskygge med lav vinkel - Atomic-terrace low-angle shadowing
Atomic Terrace Low Angle Shadowing ( ATLAS ) er en overflatevitenskapsteknikk som muliggjør vekst av plan nanotråd eller nanodot- arrays ved hjelp av molekylær stråleepitaksi på en vicinal overflate. ATLAS bruker den iboende trinn-og-terrassestrukturen på overflaten som en mal for slike nanostrukturer . Teknikken involverer lav vinkelforekomst av fluksmateriale på underliggende underlag. Vicinale substrater er sammensatt av atom terrasser adskilt med atom trinn. ATLAS-teknikken tillater fremstilling av veldefinerte plane matriser av plasmoniske nanostrukturer , av dimensjoner som ikke kan oppnås ved litografi .
En kollimert stråle av atomer eller molekyler fordampes i en skrå vinkel mot underlaget. Dette får trinnene til å "skygge" strålen, og molekylene blir bare adsorbert på de eksponerte delene av trinnene i direkte siktelinje til fordamperen .
Hovedattraksjonen til teknikken er dens relative enkelhet, siden den ikke involverer flere litografitrinn og kan brukes på overflater av metall , halvleder eller oksid .
Teknikken er en " bottom-up " -tilnærming og tillater stor kontroll over separasjonen av nanostrukturer i matrisen, så vel som deres individuelle bredder. Separasjonen styres av størrelsen på atomterrassene til substratet, som bestemmes av feilkutt fra hovedindeksen ; og bredden på nanostrukturene styres av den skrå vinkelen på avsetningen.
ATLAS har vist seg å være en veldig allsidig teknikk, med veksten av metalliske , halvledende og magnetiske nanotråder og nanodotter vist ved hjelp av en rekke kildematerialer og underlag.
Grunnleggende prinsipper
Figur 1 (a) viser en skjematisk oversikt over avleiringen i "nedoverbakke" -retningen, det vil si fra en ytre trinnkant til en nedre terrasse. Avsetningsvinkelen β mellom bjelken og overflaten er liten (1 ° -3 °) slik at noen områder av terrassene utsettes for bjelken, og andre er geometrisk skyggelagt .
Avsetningsvinkelen β bestemmer bredden på nanostrukturene, i henhold til følgende forhold:
hvor w er nanostrukturbredden, a er høyden på ett trinn, α er feilskjæringsvinkelen og β er avsetningsvinkelen mellom den innfallende strålen og overflaten ( α og β antas å være liten og måles i radianer).
Figur 1 (b) viser en lignende situasjon, men denne gangen med underlaget rotert 180 ° slik at den innfallende bjelken nå er i "oppoverbakke" -retningen, og nesten parallell med overflaten. I dette tilfellet, på trinn-flatene tilveiebringe de bindingsseter, og det avsatte materiale vokser langs trinn, i likhet med den trinnstrømmen vekst mekanisme.
For å vokse nanotråder med en bredde på femten nanometer eller mindre, avsetningstemperaturen bør for begge orienteringer velges slik at den midlere frie veilengde av de adatom på overflaten er begrenset til noen få nanometer.
Eksperimentell utvikling
ATLAS-systemet ble utviklet innen Applied Physics Group ved School of Physics , Trinity College, Dublin . Den eksperimentelle prosedyren er relativt grei, sammenlignet med litografi eller andre tilnærminger, noe som betyr at bare standardutstyr er nødvendig.
Oppsettet består av et ultrahøyt vakuumkammer ( basetrykk i det lave 10-10 Torr- området), med prøven montert på en stor arbeidsavstand (40-100 cm ) fra fordampningskilden. Denne store avstanden gir den høye kollimasjonen som kreves for ATLAS-teknikken. Selve prøven er montert på et rotasjonstrinn og kan vippes gjennom 200 ° med en presisjon på ± 0,5 °.
Substratet kan varmes opp under avsetning ved enten å føre likestrøm gjennom prøven for halvledere eller ved å drive strøm gjennom en separat oppvarmingsfolie under substratet for å isolere oksider .
Allsidighet
Kapasitetene til systemet ble først testet av voksende matriser med 10-30 nm brede metalliske nanotråder på to typer vicinale substrater, trinnbundet Si ( 111 ) og α-Al 2 O 3 ( 0001 ). Avsetning av Au og Ag på disse substratene gir matriser av ledninger med en bredde og høyde på 15 nm og 2 nm, og atskilt med omtrent 30 nm.
Siden introduksjonen i 2008 har ATLAS blitt demonstrert som en enkel teknikk for å produsere nanotråder av en rekke materialer ned til en bredde på 15 nm og en tykkelse på 2 nm, på flere trinns underlag.
Begrensninger
Selv om ATLAS er en allsidig teknikk, finnes det noen begrensninger. Den innledende veksten av nanotrådene er kjernefysisk på visse foretrukne adsorpsjonssteder . Dette kan danne epitaksiale frø, som vokser uavhengig av hverandre, til de møtes, som danner en samlet polykrystallinsk ledning. Denne polykrystalliniteten kan påvirke ledningens stabilitet når den utsettes for luft, og kan øke motstanden på grunn av dens defekte natur. Det er et pågående forskningstema å øke epitaksialiteten til nanotråder ved å tilpasse gitter , eller øke initial mobilitet gjennom oppvarming av underlaget.
Til tross for disse begrensningene, er ATLASs resultater med en bredde på 15 nm omtrent fem ganger reduksjon i størrelse sammenlignet med andre grunnvinkleteknikker.