[go: up one dir, main page]

WO2012128657A1 - Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2012128657A1
WO2012128657A1 PCT/RU2011/000181 RU2011000181W WO2012128657A1 WO 2012128657 A1 WO2012128657 A1 WO 2012128657A1 RU 2011000181 W RU2011000181 W RU 2011000181W WO 2012128657 A1 WO2012128657 A1 WO 2012128657A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cantilever
tip
metal
structures
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2011/000181
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Михаил Александрович ЮДАКОВ
Юрий Петрович ВОЛКОВ
Алексей Олегович МАНТУРОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOCTYU TSENTR INNOVATSIONNYKH TEKHNOLOGIY - NANO
Original Assignee
OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOCTYU TSENTR INNOVATSIONNYKH TEKHNOLOGIY - NANO
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOCTYU TSENTR INNOVATSIONNYKH TEKHNOLOGIY - NANO filed Critical OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOCTYU TSENTR INNOVATSIONNYKH TEKHNOLOGIY - NANO
Priority to RU2013147948/28U priority Critical patent/RU151072U1/ru
Priority to PCT/RU2011/000181 priority patent/WO2012128657A1/ru
Priority to DE212011100203U priority patent/DE212011100203U1/de
Publication of WO2012128657A1 publication Critical patent/WO2012128657A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/003—3D structures, e.g. superposed patterned layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0004—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of nanostructural devices or systems or methods for manufacturing the same
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/006—Nanostructures, e.g. using aluminium anodic oxidation templates [AAO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/02—Electroplating of selected surface areas
    • C25D5/024—Electroplating of selected surface areas using locally applied electromagnetic radiation, e.g. lasers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/02—Electroplating of selected surface areas
    • C25D5/026—Electroplating of selected surface areas using locally applied jets of electrolyte
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/04—Electroplating with moving electrodes
    • C25D5/06—Brush or pad plating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q80/00—Applications, other than SPM, of scanning-probe techniques

Definitions

  • the invention relates to the field of nanotechnology and can be used for the manufacture of holographic optical elements, nanoscale electromechanical devices, microwave transceivers, X-ray ! optical structures, in the design and manufacture of storage media and high-capacity information readers, etc.
  • the lithographic process (negative or positive) is known, which consists in applying a photosensitive material to a metal layer, followed by exposure through a mask, removing an unlit or illuminated resist (for a negative / positive process) and etching a metal layer of an unprotected remaining resist.
  • a photosensitive material for a negative / positive process
  • etching a metal layer of an unprotected remaining resist for a negative / positive process
  • the radiation used to illuminate the photoresist is optical radiation (visible or UV), x-ray radiation, or charged particle beams (electrons, ions) (see, for example, RF patents 2072644, ⁇ 05 ⁇ / 06, 2164707, 2164706, G03F7 / 00, and CN1776527 , G03F1 / 16).
  • the disadvantages include the high complexity and multi-stage process, the need to manufacture special precision masks with high resolution, the need for complex and expensive special projection equipment (cost is hundreds of millions of dollars), the restriction on the size of the resulting structures (not less than 30-50 nm), the impossibility of obtaining high metal structures (the ratio of height to diameter is greater than 5) and structures with non-vertical walls.
  • the well-known LIGA process Lithographie, Galvanoformung, Abformung by which the formation of high cylindrical metal structures is possible.
  • a thick dielectric layer for example, an Ilsan film acting as a photoresist is deposited on a metal substrate.
  • a mask of metal is placed on the surface of the dielectric, through which the dielectric is exposed to a parallel beam of hard radiation (gamma rays) generated by the accelerator or nuclear reactor.
  • Exposed dielectric changes its characteristics and can be removed later by etching in special solutions.
  • holes are formed in the dielectric film repeating the shape of the windows in the mask.
  • the conductive substrate with a dielectric film is placed in a plating bath and a metal layer (for example, nickel) is deposited on the substrate, which repeats the shape of the holes in the dielectric film.
  • a metal layer for example, nickel
  • the film is completely etched, exposing the formed metal structures.
  • Advantages - high resolution and high height of metal structures (the ratio of height to diameter is more than 10) (see, for example, RF patents 2350996, 2350995, G 03 F 7/00, as well as EP2182096, C25D1 / 00).
  • Ion etching is known by surface treatment with a focused ion beam, which allows you to create arbitrary metal and dielectric structures of nanometer size in the absence of special masks, while the formation of structures is carried out according to the program under the control of a computer.
  • nanoscale elements using a tunneling microscope.
  • metals can be deposited from organometallic gases, local oxidation followed by chemical etching of the oxide (for example, for a silicon surface), modification of a special photoresist with its subsequent chemical treatment.
  • the advantage is the simplicity and low cost of equipment, the ability to create nanoscale structures, the ability to form elements of arbitrary shape under computer control.
  • the disadvantages are the impossibility of forming high elements (the height does not exceed several nm) and the need to use non-oxidizing conductive substrates (noble metals, for example, gold, platinum) or work in ultrahigh vacuum.
  • a known probe method for forming nanoelements including obtaining a conductive layer on a substrate, placing it in a chamber, forming charged particles zones near the substrate, creating a potential difference between the probe and the conductive layer, bringing the probe to the conductive layer, the occurrence of an electric field between the probe and the conductive layer the flow of charged particles and the formation on the surface of the conductive layer of nanoelements, characterized in that the substrate with the conductive layer is placed in a vacuum chamber and before By creating a potential difference between the probe and the conductive layer, a vacuum is created, after which a plasma is formed in the region of the probe above the substrate surface, and potentials are applied to the probe and the conductive layer, thereby controlling the interaction of the plasma with the probe and the conductive layer, after which the reaction products are removed from the region between the probe and the conductive layer (see RF application Ne 2005135747, IPC V82VZ / 00) 7
  • the scanning force microscope also allows you to create nanoscale structures by nanofilling (scratching the surface), applying ink using a tip previously coated with a layer of ink (followed by chemical surface treatment), modifying a photoresist with an electric current passing through a conducting tip (followed by etching of the photoresist) ( Handbook of nanotechnology. Springer, 2007, 950c).
  • Advantages are the availability and low cost of equipment, the simplicity of the technology for forming nanostructures, the ability to programmatically set the shape and size of the created nanostructures, the absence of the need to create special masks, the high resolution of the formed elements (tens of nanometers).
  • the method of forming metal nanoscale objects includes layer-by-layer deposition of metal on a conductive substrate according to a given program by applying current pulses between the tip of the cantilever of a scanning probe microscope and substrate
  • the device for forming nano-sized objects contains a working chamber, an object stage and a measuring head for a scanning probe microscope, including a cantilever, a source of electric influence on the cantilever / sample system, piezoscanners with a compensator for thermal deformations and temperature drifts, vibration-proof devices, a digital electronic control system for the scanning head probe microscope and analog-to-digital information processing system, source of electrical influence on the cantilever / sample topic is made in the form of an electronic current control device both in a direct current mode and in a pulsed current mode, including a mode with variable polarity, while the device is additionally equipped with an electronic system for controlling the voltage amplitude and its derivative throughout the entire process of object formation, a system of independent adjustment and stabilization of the temperature of the sample and chamber, sources of reagents and their evaporators, as well as a system for bubbling, control, adjustment and stabilization of water by means of a system for evacuating the gas medium from the working volume of the chamber, which is
  • the disadvantages are low resolution, not exceeding 100 nm, due to the slow (linearly) decreasing current with increasing distance from the tip in the discharge, the need for a chamber with a controlled environment and temperature, the use of special equipment for pumping and filling gas, the use of special and often toxic metal-containing gases by decomposition of which metal nanostructures are formed.
  • the objective of the present invention is the formation of metal nanoscale three-dimensional structures (objects) by electrolytic deposition. Disclosure of invention
  • the technical result consists in simplifying the design while expanding the functionality - increasing the resolution to several nm, creating high metal structures (height to diameter ratio of more than 10), the possibility of creating structures not only with vertical walls (tapering pyramidal walls are possible). It is possible to create metal nanostructures from various metals, as well as chemical surface modification (oxidation, fluorination) of the created nanostructures.
  • the method of forming metal nanoscale objects involves layer-by-layer deposition of metal on a conductive substrate according to a predetermined program by applying current pulses between the tip of a cantilever of a scanning probe microscope and a substrate, according to the invention, the deposition is carried out by electrolytic deposition of metal from a tip made of solid electrolyte (superionic conductor), providing the transfer of metal ions.
  • chemical ⁇ modification is additionally carried out in the specified areas by exposure to current pulses between the tip of the cantilever and the substrate, while the tip of the cantelever is made of solid electrolyte, which ensures the transfer of gas ions.
  • the device for forming metal nanoscale objects contains a conducting stage and a measuring head for a scanning probe microscope, including a cantilever, a source of electrical influence on the cantilever / sample system as an electronic current control device, piezoscanners with a compensator for thermal deformations and temperature drifts, a vibration-proof device, a digital electronic control system for the scanning head " probe microscope, with the tip of the cantilever made of solid ele ctrolite, providing the transfer of metal ions.
  • the cantilever is interchangeable.
  • an electrolyte with silver ions for example, RbAg 4! $, Was chosen.
  • An electrolyte with oxygen or fluorine ions was selected as a solid electrolyte for modification.
  • the invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of the proposed device, where 1 is a piezoscanner with a compensator for thermal deformations and temperature drifts, 2- conductive stage, 3- vibration protection device, 4- conductive cantilever, 5- solid electrolyte tip, 6- manufactured sample, 7-laser, 8- photodetector, 9- source of electrical influence on the cantilever / sample system, 10-digital electronic control system, 1 1 - computer.
  • the device contains a piezoscanner with a compensator for thermal deformations and temperature drifts 1, at one end of which a conductive stage is mounted 2 with the fabricated sample 6, and the other end of the piezoscanner 1 is mounted on a vibration-proof device 3.
  • the pressing force of the conductive cantilever 4 with a tip of solid electrolyte 5 is controlled by value deflection of the cantilever 4 using an optical system consisting of a laser 7 and a photo detector 8.
  • a digital electronic control system 10 is electrically connected to a piezoscanner 1 and a photodetector the detector 8, and the source of electrical influence on the cantilever / sample system 9 is connected to the cantilever 4 and the conductive stage 2.
  • Computer 1] connected to the digital electronic control system 10 and the source of electrical influence on the cantilever / sample 9 controls the formation of sample 6.
  • the device operates as follows. Under the control of the computer 1 1, the digital electronic control circuit 10 moves using a piezoscanner 1 a conducting object stage 2 with sample 9 relative to the tip 5 to a point with programmed coordinates for forming a nanoscale metal island on sample 9.
  • the pressing force of the tip 5 to the sample 9 is controlled by an electronic control circuit 1 0 by the deflection of the cantilever 4 measured using an optical circuit consisting of a laser 7 illuminating the surface of the cantilever 4 and a two-quadrant detector 8 recording the position of the beam reflected from the surface of the cantilever 4.
  • computer 1 1 forms a metal island on sample 5 by applying a voltage pulse to the tip relative to the conductive stage 2 from the source of electrical exposure 9.
  • metal ions passing along the tip from a solid electrolyte are deposited on the surface of sample 9 in the form of metal islands.
  • the tip of the solid electrolyte forms metal islands, the size of which is determined by the radius of curvature of the tip 5, by the force of pressing the tip to the nanostructure (minimum the diameter of the islands is 10 nm) and the magnitude and duration of the current pulse flowing through the tip (can be units of nm).
  • the device After the formation of islands in the first layer is completed, the device proceeds to the formation of islands of the second layer located on the surface of the islands of the first layer, etc.
  • nanostructures of a given shape and size are formed in layers from the deposited metal islands on the surface of sample 9.
  • this device it is possible to form nanostructures with both vertical walls and a pyramidal shape (tapering with distance from the base).
  • solid electrolyte various metals are deposited (for example, silver for AgJ, RbAg 4 I 5 , silver for copper, CuBr, copper, etc.).
  • cantilevers with various solid electrolytes the formation of nanostructures from several different metals is possible.
  • Chemical modification (oxidation, fluorination) of the surface of the created nanostructure is also possible using the corresponding solid electrolytes (for example, ( ⁇ 1 2 0 3 ) 0> 8 (8 ⁇ ) schreib, 2-For oxidation, Sro , 8 La 0j2 F 2j 2- for fluorination etc.), which leads to the formation of sections with different conductivities (dielectrics, semiconductors).
  • a scanning force microscope (CCM) is used, for example, similar to that made by the authors (Bayburin V. B., Volkov Yu.P., Konnov NP, Multifunctional complex scanning probe microscopy and its application. Part 1 // Publishing house of the Saratov State University, 1998, - 122 pp.)
  • CCM scanning force microscope
  • PAXY 0035 from Physical Instruments Germany
  • ML1016R semiconductor laser
  • KDFM-4-03, Russia photodetector ctor
  • digital electronic control unit of our own manufacture V. B. Baiburin, A. Semenov, Yu.P.
  • the conductive cantilever is made of a piece of tungsten wire with a diameter of 60 ⁇ m and a length of 1 mm on which a light-reflecting mirror is attached (glass measuring 0.5x0.5 mm, thickness 0.1 mm coated with A1 by spraying in vacuum), and to which is attached a conductive silver-containing glue (SilverPrint) a tip from a single crystal of solid electrolyte RbAg I 5 .
  • the crystal has a length of 3 mm and a diameter of 0.5 mm, and the diameter decreases to its apex to sizes of 5-10 nm (the assessment was carried out according to electron microscopy).
  • a circuit consisting of a digital-to-analog converter controlled by a computer and an amplifier providing current through the tip up to 100 mA is used as a source of electrical exposure. When a current pulse of 10 mA lasting 10 mA is applied to the tip (plus a tip), an island of silver 10 nm thick is deposited.
  • the scanning force microscope operates in a constant force mode, the value of which is selected equal to 10 "6 N.
  • mica is used coated with a metal layer (for example, silver 30-50 nm thick) on the surface of which nanostructures are formed. It is also possible to form nanostructures on the crystal surface a conductor, for example, pyrolytic graphite.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления голографических оптических элементов, наноразмерных электромеханических приборов, СВЧ приемопередающих устройств, рентгеновских оптических структур, в разработке и изготовлении запоминающих сред и считывателей информации большой емкости. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до нескольких нм, создании высоких металлических структур (отношение высоты к диаметру более 10), возможности создания структур не только с вертикальными стенками. Формирование наноструктур осуществляют путем электролитического осаждения из острия кантелевера зондового микроскопа, выполненного из твердого электролита (суперионных проводников).

Description

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ НАНОМЕТРОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления голографических оптических элементов, наноразмерных электромеханических приборов, СВЧ приемопередающих устройств, рентгеновских ! оптических структур, в разработке и изготовлении запоминающих сред и считывателей информации большой емкости и т.п.
Предшествующий уровень техники
Известен литографический процесс (негативный или позитивный), состоящий в нанесении на слой металла фоточувствительного материала, с последующей его засветкой через маску, удаление незасвеченного или засвеченного резиста (для негативного/позитивного процесса) и травление слоя металла незащищенного оставшимся резистом. Таким образом, возможно формирование металлических структур с размерностью до нескольких десятков нм имеющих вертикальные стенки (без учета явления подтравливания). В качестве излучения для засветки фоторезиста используется оптическое излучение (видимого или УФ диапазонов), рентгеновское излучение или пучки заряженных частиц (электроны, ионы) (см. например патенты РФ 2072644, Н05КЗ/06, 2164707, 2164706, G03F7/00, а также CN1776527, G03F1/16).
К недостаткам относится высокая сложность и многоступенчатость процесса, необходимость изготовления специальных прецизионных масок с высоким разрешением, необходимость в сложном и дорогом специальном проекционном оборудовании (стоимость составляет сотни млн. долл.), ограничение на размеры получаемых структур (не менее 30 -50 нм), невозможность получения высоких металлических структур (отношение высоты к диаметру больше 5) и структур с невертикальными стенками.
Известен процесс LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) с помощью которого возможно формирование высоких цилиндрических металлических структур. В данном процессе на металлическую подложку наносится толстый слой диэлектрика (например, лавсановая пленка) выполняющий роль фоторезиста. На поверхность диэлектрика помещается маска из металла, сквозь которую диэлектрик подвергается воздействию параллельного пучка жесткого излучения (гамма-лучи) вырабатываемого ускорителем или ядерным реактором. Диэлектрик, подвергшийся воздействию изменяет свои характеристики и может быть в дальнейшем удален посредством травления в специальных растворах. Таким образом, формируются отверстия в диэлектрической пленке повторяющие форму окон в маске. После этого проводящую подложку с диэлектрической пленкой помещают в гальваническую ванну и наращивают на подложке слой металла (например, никеля), который повторяет форму отверстий в диэлектрической пленке. Далее пленку полностью стравливают, обнажая сформированные металлические структуры. Достоинства - высокое разрешение и большая высота металлических структур (отношение высоты к диаметру более 10) (см. например патенты РФ 2350996, 2350995, G 03 F 7/00, а также ЕР2182096, C25D1/00).
Недостатки - необходимость использования уникального оборудования
(ускорители, ядерные реакторы), что делает данную технологию недоступной для большинства лабораторий, необходимость изготовления специальных металлических масок высокого разрешения, невозможность создания структур с невертикальными стенками. Для упрощения процесса бала разработана модификация метода с использованием для облучения жесткого ультрафиолета. Достоинства - более широкая доступность, недостатки - кроме вышеописанных, более низкое разрешение (определяемое длиной волны и не превышающее 100 нм).
Известно ионное травление путем обработки поверхности сфокусированным ионным пучком, которое позволяет создавать произвольные металлические и диэлектрические структуры нанометрового размера в отсутствие специальных масок, при этом формирование структур осуществляют по программе под управлением компьютера.
Недостатки - высокая стоимость уникального оборудования, делающая его недоступным для большинства лабораторий.
Возможно формирование наноразмерньгх элементов с использованием туннельного микроскопа. С помощью туннельного тока протекающего между острием микроскопа и проводящей подложкой возможно осаждение металлов из металлоорганических газов, локальное окисление с последующим химическим травлением окисла (например для кремниевой поверхности), модификация специального фоторезиста с последующей его химической обработкой. Достоинством является простота и невысокая стоимость оборудования, возможность создания наноразмерньгх структур, возможность формирования элементов произвольной формы под управлением компьютера. Недостатками являются невозможность формирования высоких элементов (высота не превышает нескольких нм) и необходимость использования неокисляющихся проводящих подложек (благороднее металлы, например, золото, платина) или работа в сверхвысоком вакууме.
Известен зондовый способ формирования наноэлементов, включающий получение на подложке проводящего слоя, размещение ее в камере, формирование вблизи подложки зон заряженных частиц, создание разности потенциалов между зондом и проводящим слоем, подведение зонда к проводящему слою, возникновение под воздействием электрического поля между зондом и проводящим слоем потока заряженных частиц и формирование на поверхности проводящего слоя наноэлементов, отличающийся тем, что подложку с проводящим слоем размещают в вакуумной камере и перед созданием разности потенциалов между зондом и проводящим слоем создают разрежение, после чего в области зонда над поверхностью подложки формируют плазму, а на зонд и проводящий слой подают потенциалы, управляя при этом процессом взаимодействия плазмы с зондом и проводящим слоем, после чего удаляют продукты реакции из области между зондом и проводящим слоем (см. заявку на изобретение РФ Ne 2005135747, МПК В82ВЗ/00)7
Недостатки - необходимость использования вакуумной камеры и специального откачного оборудования (вакуумные насосы), низкое разрешение не превышающее 100 нм, обусловленное медленным (по линейному закону) убыванием тока с увеличением расстояния от острия в плазменном разряде.
Сканирующий силовой микроскоп также позволяет создавать наноразмерные структуры путем нанофрезерования (процарапывания поверхности), нанесение чернил с помощью острия предварительно покрытого слоем чернил (с последующей химической обработкой поверхности), модификация фоторезиста с помощью электрического тока, проходящего через проводящее острие (с последующим травлением фоторезиста) (Handbook of nanotechnology. Springer, 2007, 950c). Достоинства- доступность и невысокая стоимость оборудования, простота технологии формирования наноструктур, возможность программного задания формы и размеров создаваемых наноструктур, отсутствие необходимости создания специальных масок, высокое разрешение формируемых элементов (десятки нанометров).
Недостатки - невозможность формирования высоких металлических структур (высота не превышает единицы нм) и необходимость использования сложного технологического процесса состоящего из нескольких этапов для формирования наноструктур.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ и устройство ( формирования наноразмерных объектов, описанные в патенте РФ 2329945, МПК В82ВЗ/00. Способ формирования металлических наноразмерных объектов включает послойное нанесение металла на проводящую подложку по заданной программе путем воздействия импульсами тока между острием кантилевера сканирующего зондового микроскопа и подложкой,
Устройство формирования наноразмерных объектов содержит рабочую камеру, установленные в ней предметный столик и измерительную головку сканирующего зондового микроскопа, включающего кантилевер, источник электрического воздействия - на систему кантилевер/образец, пьезосканеры с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов, виброзащитные устройства, цифровую электронную систему управления головкой сканирующего зондового микроскопа и аналого-цифровую систему обработки информации, источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец выполнен в виде электронного устройства управления током как в моде постоянного тока, так и в импульсной токовой моде, включая моду с переменной полярностью, при этом устройство дополнительно снабжено электронной системой контроля амплитуды напряжения и его производной на протяжении всего процесса формирования объектов, системой независимой регулировки и стабилизации температуры образца и камеры, источниками реагентов и их испарителями, а также системой барботирования, контроля, регулировки и стабилизации влажности, системой эвакуации газовой среды из рабочего объема камеры, имеющей развязку с рабочей камерой по виброшумам, шибером и байпасной системой.
Недостатками являются низкое разрешение, не превышающее 100 нм, обусловленное медленным (по линейному закону) убыванием тока с увеличением расстояния от острия в разряде, необходимость в камере с контролируемой средой и температурой, использование специального оборудования для откачки и напуска газа, использование специальных и зачастую токсичных металлосодержащих газов, путем разложения которых формируются металлические наноструктуры.
Задача настоящего изобретения заключается в формировании металлических наноразмерных трехмерных структур (объектов) методом электролитического осаждения. Раскрытие изобретения
Технический результат заключается в упрощении конструкции при расширении функциональных возможностей - повышение разрешающей способности до нескольких нм, создание высоких металлических структур (отношение высоты к диаметру более 10), возможности создания структур не только с вертикальными стенками (возможны сужающиеся пирамидальные стенки). Возможно создание металлических наноструктур из различных металлов, а также химическая модификация поверхности (окисление, фторирование) создаваемых наноструктур.
Способ формирования металлических наноразмерных объектов (наноструктур) включает послойное нанесение металла на проводящую подложку по заданной программе путем воздействия импульсами тока между острием кантилевера сканирующего зондового микроскопа и подложкой, при этом согласно изобретению нанесение осуществляют методом электролитического осаждения металла из острия, выполненного из твердого электролита (суперионного проводника), обеспечивающего перенос ионов металла.
После формирования объекта, дополнительно осуществляют химическое Ϊ модифицирование в заданных областях путем воздействия импульсами тока между острием кантилевера и подложкой, при этом остриё кантелевера выполнено из твердого электролита, обеспечивающего перенос ионов газа.
Устройство формирования металлических наноразмерных объектов содержит проводящий предметный столик и измерительную головку сканирующего зондового микроскопа, включающего кантилевер, источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец виде электронного устройства управления током, пьезосканеры с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов, виброзащитное устройство, цифровую электронную систему управления головкой сканирующего" зондового микроскопа, при этом острие кантилевера, выполнено из твердого электролита, обеспечивающего перенос ионов металла. Кантилевер выполнен сменным.
В качестве твердого электролита для формирования наноразмерных объектов выбран электролит с ионами серебра, например, RbAg 4 !$ .
В качестве твердого электролита для модификации выбран электролит с ионами кислорода или фтора.
Изобретения поясняются чертежом, на котором приведена блок схема предлагаемого устройства, где 1 - пьезосканер с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов, 2- проводящий предметный столик, 3- виброзашитное устройство, 4- проводящий кантилевер, 5- острие из твердого электролита, 6- изготавливаемый образец, 7-лазер, 8- фотодетектор, 9- источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец, 10- цифровая электронная система управления, 1 1 - компьютер.
Устройство содержит пьезосканер с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов 1, на одном конце которого закреплен проводящий предметный столик 2 с изготавливаемым образцом 6, а другой конец пьезосканера 1 установлен на виброзащитном устройстве 3. Сила прижатия проводящего кантилевера 4 с острием из твердого электролита 5 контролируется по величине прогиба кантилевера 4 с помощью оптической системы состоящей из лазера 7 и фото детектора 8. Цифровая электронная система управления 10 электрически подключена к пьезосканеру 1 и фотодетектору 8, а источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец 9 подключается к кантилеверу 4 и проводящему предметному столику 2. Компьютер 1 ] соединенный с цифровой электронной системой управления 10 и источником электрического воздействия на систему кантилевер/образец 9 управляет процессом формирования образца 6.
Устройство работает следующим образом. Под управлением компьютера 1 1 цифровая электронная схема управления 10 перемещает с помощью пьезосканера 1 проводящий предметный столик 2 с образцом 9 относительно острия 5 в точку с программно заданными координатами для формирования на образце 9 наноразмерного металлического островка. При этом сила прижатия острия 5 к образцу 9 контролируется электронной схемой управления 1 0 по величине прогиба кантилевера 4 измеряемой с помощью оптической схемы состоящей из лазера 7 освещающего поверхность кантилевера 4 и двухквадрантного детектора 8, регистрирующего положение отраженного от поверхности кантилевера 4 луча. После установки острия 5 в точку на образце 5 с заданными программно координатами компьютер 1 1 формирует металлический островок на образце 5 путем подачи импульса напряжения на острие относительно проводящего столика 2 от источника электрического воздействия 9. При этом ионы металла проходя по острию из твердого электролита осаждаются на поверхности образца 9 в виде металлических островков. Таким образом, в заданных по программе местах острие твердого электролита формирует островки металла, размер которых определятся радиусом закругления острия 5, силой прижатия острия к наноструктуре (минимальный б диаметр островков составляет 10 нм) и величиной и длительностью импульса тока протекающего через острие (может составлять единицы нм). После завершения формирования островков в первом слое устройство переходит к формированию островков второго слоя расположенных на поверхности островков первого слоя и т.д. таким образом из осаждаемых металлических островков на поверхности образца 9 послойно формируются наноструктры заданной формы и размеров. С помощью данного устройства возможно формирование наноструктур как с вертикальными стенками, так и пирамидальной формы (сужающиеся по мере удаления от основания).
В зависимости от используемого материала острия (твердого электролита) производится осаждение различных металлов (например, для AgJ, RbAg 4 I 5 - серебро, для ЯЬС СЬ , CuBr- медь и др.). Используя кантилеверы с различными твердыми электролитами возможно формирование наноструктур из нескольких различных металлов. Возможна также химическая модификация (окисление, фторирование) поверхности созданной наноструктуры с помощью соответствующих твердых электролитов (например, (В1203)0>8(8гО)о,2-Для окисления, Sro,8La0j2F2j2- для фторирования и др.), что приводит к формированию участков с различной проводимостью (диэлектрики, полупроводники).
Пример практической реализации.
В качестве устройства для формирования трехмерных металлических структур используется сканирующий силовой микроскоп (ССМ) например, подобный изготовленному авторами (Байбурин В. Б., Волков Ю.П., Коннов Н.П. Многофункциональный комплекс сканирующей зондовой микроскопии и его применение. Часть.1// Изд-во Саратовского государственного университета, 1998, - 122с.) в состав которого входит цилиндрический пьезосканер (PAXY 0035 фирмы Physical Instruments Germany), на котором установлен проводящий столик из алюминия, полупроводниковый лазер (ML1016R фирмы Mitsubishi), фотодетектор (КДФМ-4-03, Россия), блок цифрового электронного управления собственного изготовления (В. Б. Байбурин, Семенов А. С, Ю.П.Волков Универсальный комплекс сканирующей зондовой микроскопии/УЗаводская лаборатория, 2000, М>12,с.17-23), управляющий компьютер (РСА6751 , Advantech) виброзащитное устройство (Thorlabs USA). Проводящий кантилевер изготовлен из отрезка вольфрамовой проволоки диаметром 60 мкм и длиной 1 мм на котором прикреплено отражающее свет зеркало (стекло размерами 0,5x0,5 мм толщиной 0, 1 мм покрытое А1 с помощью напыления в вакууме), и к которому прикреплено проводящим серебросодержащим клеем (SilverPrint) острие из монокристалла твердого электролита RbAg I5. Кристалл имеет длину 3 мм и диаметр 0,5 мм, причем диаметр уменьшается к его вершине до размеров 5-10 нм (оценка проведена по данным электронной микроскопии). В качестве источника электрического воздействия используется схема состоящая из цифроаналогового преобразователя управляемого компьютером и усилителя обеспечивающего ток через острие до 100 мА. При подаче на острие импульса тока длительностью 10 мс величиной 10 мА (плюс на острие) происходит осаждение островка серебра толщиной 10 нм.
Сканирующий силовой микроскоп работает в режиме постоянной силы, величина которой выбирается равной 10"6 Н. В качестве подложки используется слюда покрытая слоем металла (например, серебра толщиной 30-50 нм) на поверхности которого производится формирование наноструктур. Возможно также формирование наноструктур на поверхности кристалла проводника, например, пиролитического графита.

Claims

Формула изобретения
1. Способ формирования металлических наноразмерных объектов, включающий послойное нанесение металла на проводящую подложку по заданной программе путем воздействия импульсами тока между острием кантилевера сканирующего зондового микроскопа и подложкой, отличающееся тем, что нанесение осуществляют методом электролитического осаждения металла из острия, выполненного из твердого электролита, обеспечивающего перенос ионов металла.
2. Способ по п. 1 , отличающееся тем, что после формирования объекта, дополнительно осуществляют химическое модифицирование в заданных областях путем воздействия импульсами тока между острием кантилевера и подложкой, при этом остриё кантелевера выполнено из твердого электролита, обеспечивающего перенос ионов газа.
3. Устройство формирования металлических наноразмерных объектов, содержащее проводящий предметный столик и измерительную головку сканирующего зондового микроскопа, включающего кантилевер, источник электрического воздействия на систему кантилевер/образец виде электронного устройства управления током, пьезосканеры с компенсатором термодеформаций и температурных дрейфов, виброзащитное устройство, цифровую электронную систему управления головкой сканирующего зондового микроскопа, отличающееся тем, что остриё кантилевера выполнено из твердого электролита, обеспечивающего перенос ионов металла.
4. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что кантилевер выполнен сменным.
5. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что в качестве твердого 1 электролита выбран электролит с ионами серебра, например, RbAg 415.
6. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что в качестве твердого электролита выбран электролит с ионами кислорода или фтора.
PCT/RU2011/000181 2011-03-24 2011-03-24 Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления Ceased WO2012128657A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147948/28U RU151072U1 (ru) 2011-03-24 2011-03-24 Устройство формирования металлических наноразмерных объектов
PCT/RU2011/000181 WO2012128657A1 (ru) 2011-03-24 2011-03-24 Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления
DE212011100203U DE212011100203U1 (de) 2011-03-24 2011-03-24 Entwicklung dreideminsionaler NM-Mitallstrukturen und die entsprechende Vorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2011/000181 WO2012128657A1 (ru) 2011-03-24 2011-03-24 Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012128657A1 true WO2012128657A1 (ru) 2012-09-27

Family

ID=46879586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000181 Ceased WO2012128657A1 (ru) 2011-03-24 2011-03-24 Способ создания трехмерных нанометровых металлических структур и устройство для его осуществления

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE212011100203U1 (ru)
RU (1) RU151072U1 (ru)
WO (1) WO2012128657A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3008717A1 (fr) * 2013-07-17 2015-01-23 Francois Forgues Dispositif permettant la synthese additive d'objets metalliques en 3 dimensions
CN112359396A (zh) * 2020-10-23 2021-02-12 长春理工大学 声子光子复合作用下的电化学微增材制造装置及方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3030581B1 (fr) * 2014-12-17 2018-11-30 Francois Forgues Dispositif permettant la synthese additive d'objets metalliques en 3 dimensions en haute resolution et avec plusieurs metaux

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022415C1 (ru) * 1992-06-05 1994-10-30 Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова РАН Твердый фторпроводящий электролит
US6608306B1 (en) * 1999-05-13 2003-08-19 Japan Science And Technology Corporation Scanning tunneling microscope, its probe, processing method for the probe and production method for fine structure
JP2004167643A (ja) * 2002-11-21 2004-06-17 Japan Science & Technology Agency 微細金属原子構造物の作製方法及び装置
RU2005135747A (ru) * 2005-11-18 2007-05-27 ЗАО "Нанотехнологи -МДТ" (RU) Зондовый способ формирования наноэлементов
RU2329945C1 (ru) * 2006-11-17 2008-07-27 ФГУП "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Устройство формирования наноразмерных объектов
RU2407090C1 (ru) * 2009-12-03 2010-12-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ИОННОГО ЭЛЕКТРОЛИТА RbAg4I5

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8721952B2 (en) 2004-11-16 2014-05-13 International Business Machines Corporation Pneumatic method and apparatus for nano imprint lithography having a conforming mask
EP2182096A1 (fr) 2008-10-28 2010-05-05 Nivarox-FAR S.A. Procédé LIGA hétérogène

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022415C1 (ru) * 1992-06-05 1994-10-30 Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова РАН Твердый фторпроводящий электролит
US6608306B1 (en) * 1999-05-13 2003-08-19 Japan Science And Technology Corporation Scanning tunneling microscope, its probe, processing method for the probe and production method for fine structure
JP2004167643A (ja) * 2002-11-21 2004-06-17 Japan Science & Technology Agency 微細金属原子構造物の作製方法及び装置
RU2005135747A (ru) * 2005-11-18 2007-05-27 ЗАО "Нанотехнологи -МДТ" (RU) Зондовый способ формирования наноэлементов
RU2329945C1 (ru) * 2006-11-17 2008-07-27 ФГУП "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Устройство формирования наноразмерных объектов
RU2407090C1 (ru) * 2009-12-03 2010-12-20 Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ИОННОГО ЭЛЕКТРОЛИТА RbAg4I5

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3008717A1 (fr) * 2013-07-17 2015-01-23 Francois Forgues Dispositif permettant la synthese additive d'objets metalliques en 3 dimensions
CN112359396A (zh) * 2020-10-23 2021-02-12 长春理工大学 声子光子复合作用下的电化学微增材制造装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU151072U1 (ru) 2015-03-20
DE212011100203U1 (de) 2013-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cabrini et al. Nanofabrication handbook
US8728720B2 (en) Arbitrary pattern direct nanostructure fabrication methods and system
JP2952539B2 (ja) 微細加工装置
JP2001105400A (ja) 細孔の製造方法、並びに該製造方法により製造された細孔および該細孔を有する構造体
JP2005519201A (ja) ナノ構造材料のための堆積方法
Van Kan et al. Proton beam writing: a progress review
Bharti et al. X-ray lithography for nanofabrication: is there a future?
RU151072U1 (ru) Устройство формирования металлических наноразмерных объектов
Yan et al. High‐Throughput Tailorable Fabrication of Long‐Range Ordered Plasmonic Coaxial Multi‐Circular Nano‐Slit Arrays Down to 2 nm for SERS Detection
Salvador-Porroche et al. High-throughput direct writing of metallic micro-and nano-structures by focused Ga+ beam irradiation of palladium acetate films
US20140193585A1 (en) Method for Modifying Probe Tip
JP4766964B2 (ja) ナノインプリント方法
Fujikawa et al. Fabrication of arrays of sub-20-nm silica walls via photolithography and solution-based molecular coating
CN102126699A (zh) 一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法
JP5581337B2 (ja) 光学検出デバイスを作製する方法
Sultana et al. High-Volume Production of Repeatable High Enhancement SERS Substrates Using Solid-State Superionic Stamping
JP2012514748A5 (ru)
Poletaev Laser ablation of thin films of molybdenum for the fabrication of contact masks elements of diffractive optics with high resolution
Grisotto et al. Scanning electrochemical microscopy as an etching tool for ITO patterning
Kostic et al. Electron beam lithography method for high-resolution nanofabrication
Davidson et al. Novel route for the production of X-ray masks from a range of organometallic films
JP2024526904A (ja) サブマイクロメートル領域の表面特性を記録するため又は表面構造を修正するための測定プローブを加工するための方法、及び測定プローブ
Kulkarni Practicals
Alshoul et al. Investigation of experimental parameters in the electric field and mechanical vibration integrated AFM-based nanopatterning on PEDOT
Molian et al. Nano-holes in silicon wafers using laser-induced surface plasmon polaritons

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11861511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 212011100203

Country of ref document: DE

Ref document number: 2120111002031

Country of ref document: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013147948

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11861511

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1