مقاله ساختارهای ناهمگون دی اکسید تیتانیوم - نانو لوله های کربنی با قطرهای متفاوت باریکه های الکترونی مناسب برای نانولیتوگرافی

بخشی از مقاله

چکیده

در اینجا ما به ساخت یک سیستم جدید از دي اکسید تیتانیوم- نانولوله هاي کربنی - - TiO2/CNT بر اساس گسیل میدانی پرداخته ایم که براي نانولیتوگرافی و ساخت ترانزیستورها مناسب است. رشد CNT ها بر روي زیرلایه سیلیکونی با استفاده از روش لایه نشانی با بخار شیمیایی بهبود یافته با پلاسما انجام گرفته است. این نانولوله هاي رشدیافته به صورت عمودي تحت فشار اتمسفر با استفاده از سیستم لایه نشانی با بخار شیمیایی - CVD - توسط TiO2 پوشانده شده است.

با صیقل دادن مکانیکی این ساختار، گسیل میدانی از نانولوله ها محقق می شود. این نانوساختار را به عنوان یک ابزار لیتوگرافی که قادر به ایجاد باریکه هاي الکترونی با قطرهاي متفاوت است را مورد آزمایش قرار دادیم. نتایج به دست آمده نشان می دهد که می توانیم با اعمال ولتاژ مناسب به گیت TiO2، به نقطه به اندازة کمتر از 30 نانومتر هم برسیم. اندازه گیري هاي الکتریکی از این قطعه قابلیت چنین ساختارهایی براي ساخت ترانزیستورهاي اثر میدانی بر اساس گسیل میدانی را تأیید می کند. با اعمال ولتاژ بین گیت و الکترود کاتد، جریان گسیلی از CNT ها افت قابل توجهی می یابد که نشان دهندة کنترل مناسب گیت بر روي جریان گسیلی می باشد.

مقدمه

نانولیتوگرافی یک شیوة کلیدي براي ساخت سیستم هاو ابزارهاي نانومتري و یک فناوري توانمند هم در صنعت و هم در پیشرفت هاي اخیر در علوم نانو می باشد. براي رسیدن به اندازة نانومتري با استفاده از فوتولیتوگرافی نیازمند داشتن چشمه هاي نوري با طول موج کوتاه مانند نور فوق فرابنفش - EUV - و یا پرتوي ایکس نرم - soft X -ray - می باشیم. اما هزینه و پیچیدگی داشتن چنین ابزارها و فرایندهایی که بر پایه EUV و X-ray باشد بطور فزاینده اي رو به افزایش است.

[1] به عنوان روشهاي متفاوت براي کاهش طول موج کاري، می توان به فناوري هاي زیر اشاره کرد: فناوري هاي انتقال الگو مثل نانولیتوگرافی چاپی - - NIL، فوتولیتوگرافی میدان نزدیک ، لیتوگرافی کاوشگر مرورکننده وغیره3]و.[4 در میان این روشها نانولیتوگرافی چاپی و فوتولیتوگرافی میدان نزدیک به علت توان عملیاتی بالا در ساخت انبوه، مورد توجه ترین روشها می باشند. در کارهاي تحقیقاتی لیتوگرافی، پرتوهاي الکترونی یکی از روش هاي مفید براي تولید طرح هاي در مقیاس نانو می باشد.

روش انجام آزمایش

به عنوان یک روش دیگر کم هزینه براي لیتوگرافی با پرتوهاي الکترونی، لیتوگرافی بر اساس نانولوله هاي کربنی است که در اینجا به آن پرداخته ایم. در این بررسی از نانولوله هاي کربنی رشدیافته به صورت عمودي استفاده کرده ایم تا به لیتوگرافی زیر میکرون و مقیاس نانو برسیم. با استفاده از گسیل میدانی از نانولوله هاي کربنی - - CNTs، الگوهایی را بر روي زیرلایه پوشانده شده با رزیست که درست بالاي CNT ها قرار گرفته است طراحی می کنیم. همانطور که در کارهاي قبلی گزارش [8] شده است، گسیل میدانی از CNT ها توسط ساختار گیت انجام می شود.

در اینجا ما یک روش جدید براي ایجاد پرتوهاي الکترونی با قطر متفاوت از CNT ها را توسط رشد ساختارهاي CNT/TiO2 ارائه می دهیم. این ساختار نه تنها براي نوشتن با قدرت تفکیک بالا بر روي زیرلایه پوشانده شده توسط رزیست استفاده می شود، بلکه اساس ترانزیستورگسیل میدانی نیز می باشد. که در فرآیند ساخت به ترتیب زیر می باشد: تمیز کردن زیرلایه سیلیکونی نوع P در راستاي جهت گیري - 100 - توسط محلول RCA#1 - محلول NH3/H2O2/H2O با نسبت هاي حجمی - 1:1:5 و سپس خشک کردن آن توسط هواي خشک. در ادامه یک لایه 5 نانومتري از نیکل را با روش لایه نشانی با بخار فیزیکی - PVD - درفشار پایهتور3×10-6 بر روي زیر لایه تمیز شده لایه نشانی می کنیم.

لایه نیکل به عنوان یک کاتالیست براي رشد CNT ها می باشد. مراحل ساخت به طورشماتیکی در شکل1 نشان داده شده است. سپس لایه نیکل توسط روش استاندارد فوتولیتوگرافی الگودهی شده تا به طرح دلخواه خود برسیم. از سیستم لایه نشانی با بخار شیمیایی بهبودیافته با پلاسما با جریان مستقیم - PECVD - براي رشد جهتمند نانولوله ها بر روي زیرلایه استفاده کرده ایم5]و.[7 بعد از گرمادهی در دماي 730°C در در فشارحضورگاز7  H2 تور براي مدت 15 دقیقه، پلاسماي هیدروژنی را به نمونه هایی که لایه نیکل روي آنها نشانده بودیم با چگالی توانمدت5 WCm-2 به    5 دقیقه اعمال می کنیم تا جزایر نانومتري نیکل شکل بگیرد. سپس با وارد کردن گاز C2H2 به محفظه به عنوان منبع کربنی رشد نانولوله ها آغاز می شود.

میزان شار H2 و C2H2 در طول مدت رشد به ترتیب بر روي 100 sccm و 50 sccm ثابت نگه داشته می شوند. شکل.1 شماتیکی از فرایند ساخت: - a - رشد نانولوله هاي کربنی برروي نیکل لایه نشانی شده بر روي Si ، - b - لایه نشانی SiO2 توسط سیستم PVD، - c - لایه نشانی TiO2 تحت فشار اتمسفر با سیستم CVD ، - d - صیقل مکانیکی براي نمایان شدن نوك CNT ها و - e - چیدمان اندازه گیري هاي الکتریکی. فرایند ساخت در ادامه عبارتست از لایه نشانی SiO2 توسط سیستم. PVD همانطور شکل 1 نشان داده شده است، SiO2 زیرلایه سیلیکونی و نوك CNT ها را می پوشاند. مرحله اصلی در فرایند ساخت لایه نشانی TiO2 با روشCVD   - لایه نشانی با بخار شیمیایی - می باشد.

همانطور که از نتیجهلایه نشانی CVD انتظار می رود اطراف CNT ها به طور یکنواخت پوشانده می شود. لایه نشانی TiO2 در دماي 300°C انجام شده و از TiCl4 به عنوان مادة اصلی براي شکل دادن دي اکسید تیتانیوم استفاده می کنیم. لایه نشانی براي مدت 15 دقیقه انجام می شود تا یکسطح کاملاً پوشیدهمرحلهشده داشته باشیم. در این    CNT ها در لایه TiO2  اي که ایجاد می شوند مدفون می گردند. نشان داده شده است[2] که پیوند هاي ناهمگون CNT/TiO2 به دست آمده در این فرایند خاصیت یکسوکنندگی از خود بروز می دهند.

[6] سپس مرحله صیقل مکانیکی باعث از بین بردن لایه بالايTiO2/SiO2 از    CNT ها می شود. گسیل میدانی از این CNT ها با آشکار شدن نوك آنها بعد از این مرحله اتفاق خواهد افتاد. سپس یک لایه نقره را به عنوان الکترودهاي تماسی لایه نشانی کرده و الگودهی می کنیم - شکل. - 2 از یک لایه سیلیکونی که روي آن یک لایهنیکل لایه نشانی شده نیز به عنوان صفحه آند استفاده می کنیم. فاصله بین آند و کاتد در طول اندازه گیري هاي الکتریکی در حدودثابت50 ʽm نگه داشته می شود. شکل2، مجموعه اي از تصاویر SEM که از مراحل مختلف در طول فرایند آماده سازي به دست آمده است را نشان می دهد.

حسب ولتاژ گیت نشان می دهد. یک ولتاژ مثبت به الکترود گیت اعمال شده است. کنترل قوي گیت بر روي جریان گسیلی می تواند براي شکل گیري ترانزیستورهاي بر پایه TiO2/CNT استفاده شود. چنین ساختارهایی می توانند به عنوان عدسی هاي الکترواستاتیک متمرکز کننده استفاده شوند. شکل.2 ترتیب آماده سازي نمونه ها براي آشکار کردن نانولوله ها: - a - نانولوله هاي کربنی عمودي رشد داده شده روي زیرلایه سیلیسیوم، - b - پوشاندن نانولوله ها توسط دي اکسید تیتانیوم، - c - صیقل دادن مکانیکی، - d - تکمیل فرایند آشکارسازي نانولوله ها. همانطور که در بالا اشاره شد، لایه نشانی TiO2 مهمترین مرحله در فرآیند ساختباشد قطعه می . که در دماي 300°C بر روي CNT هاي رشد داده شده با PECVD منجر به تشکیل ساختارهاي ناهمگون p-n در مرز مشترك بین اینها می شود.[8]

اندازه گیري هاي جریان- ولتاژ - - I-V نشان داده شده در شکل3 رفتار یکسوکنندگی ساختار ناهمگون TiO2/CNT را تأیید می کند. در این اندازه گیري الکترود نقره که در تماس با TiO2 است - الکترود2 در شکل - 1 به عنوان زمین در نظر گرفته شده است و یک ولتاژ متغیر به ساختار پوشیده شدة CNT اعمال می شود - الکترود 1 در شکل - 1 این اندازه گیري نشان می دهد که TiO2 به عنوان یک نیمرساناي نوع n رفتار می کند و CNTها مسئول تولید حفره ها هستند.