Файл: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164.pdf

Физические основы молекулярной электроники

ный синтез оксидных покрытий заданной толщины. При этом ис­

пользуется, например, следующая схема:

Затем пары НС} откачиваются, в реактор напускаются пары воды

ипроисходит повторная гидратация поверхности:

нн н

о о о

Далее цикл повторяется.

В последние годы аналогичную схему двухстадийного син­

теза предложено использовать для создания на поверхности твер­

дого тела моно- и мупьтимолекулярных слоев органических со­

единений, аналогичных пленкам Ленгмюра-Блоджетт. Например,

удалось реализовать последовательное образование слоев за счет реакции 15-гексадеценилтрихлорсилана СН~=СН(СН~)t4-SiСlз с

поверхностными гидроксильными группами кремния.

На поверхности кремния возможно также выращивание полимерных проводящих цепочек типа (C~) или (SNx) для ис­

пользования их в качестве молекулярных проводников, связыва­

ющих поверхность с молекулярными электронными устройства­ ми. Весьма перспективными являются кремнийорганические

структуры, например диамид серы:

(С~)зSi-N=S N-Si(СНз)з

66

Глава 11 Элементная база молекулярной электроники

Существует ряд методов, в которых производится упоря­ доченная адсорбция полярных молекул на анизотропных подлож­ ках. В частности, удается получать органические пленки с конт­ ролируемой геометрией пор за счет высаживания на поверхность смеси адсорбирующихся физически и хемосорбирующихся моле­ кул и последующей десорбции слабосвязанного с поверхностью

компонента смеси.

В последние годы для создания сверхтонких (5 ч 500 нм) упорядоченныхслоев биоорганическихмолекул развивается ме­ тод полиионнойсборки. Полиион- это ион, имеющий несколь­ ко заряженных концевых групп одного знака. Технология получе­ ния таких слоев состоит в следующем. Положительно заряжен­ ная подложка помещается в полианионный раствор. Отрицатель­ но заряженные полианионы адсорбируются, н 8 итоге заряд по­ верхности подложки становится отрицательным (рис.2.К). Затем подложка переносится в поликатионный раствор, где положитель­ но заряженные макромолекулы адсорбируются на поверхности и, в свою очередь, изменяют ее заряд на положительный. В резуль­ тате формируется бислой из двух типов макромолекул, имеющих противоположные заряды (рис.2.8). Эта технология может быть

Рис. 2.8. Схема создания мультислоев при адсорб­ ции анионных и катионных полиэлектролитов [D4]

67

Физические основы молекулярной электроники

комбинирована с методом ЛБ, что позволяет получать органичес­ кие сверхрешетки. В частности, были получены слои чередую­ щихся липидных ЛБ слоев с тремя, пятью или семью различными полиионными макромолекулами, внедренными между ними. Та­ кие структуры являются аналогами биомембран и клеток живого

организма и позволяют моделировать ряд протекающих в них про­

цессов.

2.6.3. Методы исследования структуры тонких моле­ КУЛЯрНЫХ пленок. Большинство экспериментальных методов

структурного анализа тонких молекулярных пленок, в частности

ПЛБ, можно условно разделить на две группы: исследование по­ слойного строения; изучение двумерной, планарной организации

иморфологии пленок. К первой группе методов в первую очередь относятся методы малоугловой рентгеновской дифракции (МРД)

иэллипсометрии.

Идея применения метода МРД к изучению послойной структуры заключается в следующем. ПЛБ, состоящие из моле­ кул с неоднородно распределенной электронной плотностью, об­ разуют упорядоченную систему отражающих плоскостей. В ре­ зультате рассеяния падающего под малым углом (8 ~ 30) монохро­ матического рентгеновского излучения на такой структуре возни­ кает дифракционная картина. Такие значения 8 позволяют увели­ чить путь, проходимый излучением внутри пленки, и обеспечить необходимую чувствительность метода. Угловое положение мак­

симумов интенсивности отраженного сигнала определяется соот­

ношением Вульфа-Брэгга: 2dsin8 = nЛ (n = 1,2,3...), где 8 - угол падения, d - межплоскостное расстояние в ПЛБ, л- длина вол­

ны рентгеновского излучения.

Схема экспериментальной реализации метода мрд пока­ запа на рис.2.9. Образец помещается на поворотном столике (го­ ниометре). Измерения обычно проводятся по методике качающе­ гося образца. При повороте столика на угол q детектор поворачи­ вался на 28. Снимается угловая зависимость интенсивности отра­ женного сигнала 1(8). По положению максимумов кривой опреде-

68

Глава 11 Элементная база мол екулярной электроники

ляется величина межплоскостного расстояния. Интенсивность, полуширина и количество дифракционных максимумов характе­ ризует упорядоченность отражающей системы. По осцилляциям интенсивности между пиками (так называемые максимумы Кос­ сиги) можно оценить полную толщину пленки, если пленка дос­

таточно однородна.

о

-2

-4

-6

Рис. 2.9. а) Схема эксперимента по малоугловому рас­ сеянию рентгеновских лучей: 1 -- источник,2 - - об­ разец, 3 - детектор б) Рефлектограммы рентгено­ вского рассеяния от 1Обислоев стеарата кадмия [05]

Для определенияпрофиляэлектроннойплотностипленки <p(Z) (ось Z направлена перпендикулярно плоскости пленки) необ­

ходимо анализировать интенсивность рассеянного рентгеновско­

го излучения /. При обработке получающейся рефлектограммы - зависимости /(8) - чаще всего используется т. н. "динамический" метод, учитывающий взаимное влияние центров переизлучения и являющийся обобщением задачи рассеяния от плоской границы двух фаз однородных сред на случай большего числа фаз. Пара­ метрами модели являются величины комплексных показателей

69

Физические основы молекулярной электроники

преломления Nk и толщины слоев dk • По этим параметрам после­ довательно рассчитываются коэффициенты отражения R"'k+J на гра­

нице k-ro и k + l-ro слоев: Rk_J,k = j{8,Nk , Nk_J,dk_"Rk.k+' )' k = 1...т,

(где т - полное число слоев). Полагается, что существует связь между показателем преломления k-ro слоя и <p(z), а само значение <p(z) считается постоянным внутри k-ro слоя. <p(z) и толщины слоев подбираются так, чтобы наблюдалось максимальное совпадение теоретической и экспериментальной зависимостей 1(8). По шири­ не брэгговского пика на полувысоте (~) можно оценить характер­ ный размер рассеивающей области (L):

е - положение пика, А - длина волны рентгеновского излуче­

ния.

Второй метод исследование морфологии пленок - метод

эллипсометрии - основан на регистрации изменения характери­

стик поляризованного света при отражении его от исследуемой поверхности. Поворот плоскости поляризации при отражении мо­ жет быть однозначно связан с оптическими параметрами иссле­ дуемого покрытия, например, показателем преломления (n) и тол­ щиной (d) ПЛБ. Чаще всего используется метод нуль-эллипсомет­ рии, в котором при фиксированном компенсаторе измеряются уг­ ловые положения поляризатора (П) и анализатора (А), обеспечи­ вающие минимальную интенсивность отраженного луча. Значе­

ния этих углов пересчитываются в эллипсо-метрические парамет­

ры ЧJ и ~. Величина ЧJ определяется отношением взаимно пер­

та, а Д - разность фаз между ними. Здесь Ер и Е.\. - составляю- щие падающей волны, а Rp и Rs - коэффициенты отражения. При

этом р- компоненты лежат в плоскости падения, а s-компоненты

перпендикулярны ей. Углы ЧJ и д зависят параметрически от n и d (ЧJ(n,d), ~(n,d) и связаны между собой основным уравнением эл­

липсометрии:

(2.4)

70

Глава 11 Эл ементная база молекулярной электроники

Рис. 2.10. Принципиальная схема метода дифракции мед­ ленных электронов: 1 - электронная пушка, 2 моно­ хроматический пучек электронов, 3 -- исследуемая по­ верхность,4 - рассеянные дифракционные пучки, 5 . система ускоряющих сеток, 6 - люминесцентный экран

Решая обратную эллипсометрическую задачу, можно оп­ ределить величины п и d. По заданным значениям п и d решается уравнение (2.4) (прямая задача). Полученные таким образом тео­

определяют искомые величины п и d. Численное решение такой задачи проводится на ЭВМ.

Формула (2.4) была получена в предположении, что свет отражается на резкой плоской границе однородных сплошных

71

Физические основы молекулярной электроники

сред. Однако теоретические расчеты и экспериментальные дан­ ные показывают, что отраженная волна формируется в поверхно­ стном слое конечной толщины. Параметры этого слоя могут су­ щественно отличаться от соответствующих параметров в объеме вещества, поэтому для корректного определения п и d бывают не­ обходимыми дополнительные теоретические оценки и экспери­ ментальные данные. Дальнейшие экспериментальные усовершен­

ствования эллипсометрии предполагают сканирование по длинам

волн, для изучения диспергирующих свойств поверхностных фаз,

изменение угла падения света. В последние годы разработаны эл­ липсометры, в которых мощная лазерная накачка модифицирует свойства среды, а пробный луч малой интенсивности использует­ ся для одновременных эллипсометрических измерений.

Для исследования двумерной планарной структуры ПЛБ используется методдифракции медленных электронов (Дl\1Э). Суть метода - упругое рассеяние электронов упорядоченной поверхно­ стью твердого тела, подчиняющееся двумерному условию Лауэ:

где А(Е) = [150/Е(эВ)]1/2 - длина волны Де Бройля для электро­

постоянная решетки. Поверхностная чувствительность ДМЭ оп­ ределяется малой (до 0,3 нм) глубиной проникновения электро­ нов низкой (0-200 эВ) энергиив кристалл.

Экспериментальнаяреализацияметодатакова(рис. 2.10): сформированный электронной пушкой 1 монохроматический пу­ чок электронов 2 направляется на исследуемую поверхность 3. Энергия электронов задается приложением к образцу соответству­ ющего потенциала. Сформированные в результате рассеяния диф­ ракционные пучки 4, пройдя через систему сеток 5, ускоряются до энергии в несколько кэВ и попадают на люминесцентный эк­ ран 6, вызывая его свечение. Образовавшаяся таким образом на экране электронографа система пятен (рефлексов) позволяет по­ лучить информацию о симметрии и размерах элементарных яче-

72