RU2389681C2 - Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments - Google Patents

Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments Download PDF

Info

Publication number
RU2389681C2
RU2389681C2 RU2007137024/28A RU2007137024A RU2389681C2 RU 2389681 C2 RU2389681 C2 RU 2389681C2 RU 2007137024/28 A RU2007137024/28 A RU 2007137024/28A RU 2007137024 A RU2007137024 A RU 2007137024A RU 2389681 C2 RU2389681 C2 RU 2389681C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atoms
substrate
probe
nanotubes
structural channels
Prior art date
Application number
RU2007137024/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007137024A (en
Inventor
Владимир Семенович Петров (RU)
Владимир Семенович Петров
Борис Альбертович Логинов (RU)
Борис Альбертович Логинов
Павел Борисович Логинов (RU)
Павел Борисович Логинов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)"
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электронной техники (технический университет)"
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 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)", Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электронной техники (технический университет)" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)"
Priority to RU2007137024/28A priority Critical patent/RU2389681C2/en
Publication of RU2007137024A publication Critical patent/RU2007137024A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2389681C2 publication Critical patent/RU2389681C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnologies.
SUBSTANCE: application: in production of nanoelectronics and nanomechanical instruments by method of adsorption - desorption of separate atoms on substrate surface. In method for production of nanoelectronics and nanomechanical instruments by adsorption of separate atoms on surface of substrate and by desorption of separate atoms from substrate surface, instrument is produced by probe arranged perpendicularly to substrate as a combination of nanotubes from oxide bronze alloyed with emission-active atoms of interstitial element, with common formula AxMyOz, where A is symbol of interstitial element selected from elements related to I - III groups of periodical table of chemical elements, M - symbol of bronze-forming oxide element, O - symbol of oxygen, X,Y,Z - stoichiometric coefficients, at the same time atoms adsorbed on surface of substrate arrive from structural channels of probe nanotubes as electric current passes along structural channels due to electric diffusion in structural channels of nanotubes and evaporation from probe with further adsorption on substrate surface, and desorbed atoms from substrate surface arrive into structural channels of probe nanotubes as electric current passes along structural channels, introduction of atoms into structural channels and further electric diffusion of introduced atoms into structural channels of nanotubes.
EFFECT: invention provides for durable operation of probe and improves repeatability of shape in produced elements of nanostructures.
2 cl, 14 dwg, 4 tbl

Description

Использование: в производстве наноэлектронных и наномеханических приборов методом адсорбции-десорбции отдельных атомов на поверхности подложки.Usage: in the production of nanoelectronic and nanomechanical devices by adsorption-desorption of individual atoms on the surface of the substrate.

В технологии твердых тел известны два подхода к созданию наноструктур: «top-down» и «bottom-up». «Top-down» - это подход вырезания наноструктур из исходного материала, использующий литографию (электронную, рентгеновскую, с помощью сканирующих зондов). Подход «bottom-up» использует метод химического синтеза и сборки наноэлементов из отдельных атомов или молекул на подложке. При уменьшении объектов и приборов до размеров порядка сотен атомов метод сборки выглядит более перспективным. Как указано в источнике, «только атомы и молекулы могут обеспечить высокую точность в соблюдении размеров, однако до сих пор не ясно, как создать программируемого сборщика». Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. / Отв. редактор А.Л.Асеев. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. - 368 с.In solid-state technology, two approaches to creating nanostructures are known: top-down and bottom-up. “Top-down” is an approach to cutting nanostructures from source material using lithography (electron, x-ray, using scanning probes). The bottom-up approach uses the method of chemical synthesis and assembly of nanoelements from individual atoms or molecules on a substrate. With the reduction of objects and devices to sizes of the order of hundreds of atoms, the assembly method looks more promising. As stated in the source, "only atoms and molecules can provide high accuracy in dimensional compliance, but it is still not clear how to create a programmable collector." Nanotechnology in semiconductor electronics. / Ans. Editor A.L. Aseev. - Novosibirsk: Publishing House of the SB RAS, 2004. - 368 p.

Известен способ молекулярно-лучевой эпитаксии - эпитаксиального роста в условиях высокого вакуума. Этот способ позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами. При этом используются специальные пригодные для эпитаксии подложки - достаточно хорошо очищенные от сопутствующих примесей и с атомарно гладкой поверхностью. Поток атомов на поверхность подложки формируется в атомной пушке, состоящей из ячейки Кнудсена, системы диафрагм и нагревателя сопротивления. Ячейки Кнудсена - тигли из тугоплавкого материала (чистые нитрид бора или графит). В случае испарения тугоплавких металлов используется электронно-лучевой нагрев (З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, А.В.Круглов. Исследование самоорганизующихся островков Ge на Si (100) с помощью атомно-силового микроскопа. "Известия АН: Серия физическая", т.63(2), стр.287-289 (1999).A known method of molecular beam epitaxy - epitaxial growth in high vacuum. This method allows you to grow heterostructures of a given thickness with monoatomically smooth heteroboundaries. In this case, special substrates suitable for epitaxy are used — they are sufficiently well cleaned of accompanying impurities and with an atomically smooth surface. The flow of atoms to the surface of the substrate is formed in an atomic gun consisting of a Knudsen cell, a diaphragm system, and a resistance heater. Knudsen cells are crucibles made of refractory material (pure boron nitride or graphite). In the case of evaporation of refractory metals, electron-beam heating is used (Z. F. Krasilnik, A. V. Novikov, V. V. Postnikov, D. O. Filatov, A. V. Kruglov. Study of self-organizing Ge islands on Si (100) using an atomic force microscope. Izvestia AN: Physical Series, vol. 63 (2), pp. 287-289 (1999).

Ближайшим из известных к описываемому способу является метод атомных манипуляций. В этом методе атомные манипуляции для создания наноструктур на поверхности подложки и получение изображения этих наноструктур производится с помощью одного и того же сканирующего туннельного микроскопа. Таким образом, возникает возможность осмотреть поверхность, выбрать место или интересующий технолога объект, провести необходимые манипуляции, а затем проверить результат (см. Введение в физику поверхности / К.Оура, В.Г.Лифшиц, А.А.Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма. - М.: Наука, 2006. 490 с.).The closest known to the described method is the atomic manipulation method. In this method, atomic manipulations to create nanostructures on the surface of a substrate and to obtain images of these nanostructures is performed using the same scanning tunneling microscope. Thus, it becomes possible to inspect the surface, select a place or object of interest to the technologist, carry out the necessary manipulations, and then check the result (see Introduction to Surface Physics / K.Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin, A.V. .Zotov, M. Katayama. - M .: Nauka, 2006.490 s.).

Основными атомными манипуляциями, проводимыми с помощью сканирующего туннельного микроскопа, являются следующие манипуляции:The main atomic manipulations carried out using a scanning tunneling microscope are the following manipulations:

- латеральное перемещение атома вдоль поверхности (фиг.1, а),- lateral movement of the atom along the surface (figure 1, a),

- удаление атома с поверхности (фиг.1, б),- removal of an atom from the surface (figure 1, b),

- осаждение атома с иглы на поверхность подложки (фиг.1, в).- deposition of the atom from the needle onto the surface of the substrate (figure 1, c).

При необходимости вести формирование наноструктур не одноатомными манипуляциями, а с помощью кластерной конденсации для создания «бугорков» на поверхности, применяется метод z-импульса (фиг.2).If necessary, to conduct the formation of nanostructures not by monatomic manipulations, but using cluster condensation to create "tubercles" on the surface, the z-pulse method is used (Fig. 2).

Однако известный способ не дает необходимой воспроизводимости формы адсорбционных наноструктур, не является достаточно производительным, не подлежит автоматизации и не является достаточно долговечным.However, the known method does not provide the necessary reproducibility of the shape of adsorption nanostructures, is not sufficiently productive, is not subject to automation, and is not sufficiently durable.

Технической задачей, решаемой описываемым способом, является создание топологии наноэлектронного прибора методом молекулярно-лучевой одноатомной эпитаксии.The technical problem solved by the described method is the creation of the topology of a nanoelectronic device by the method of molecular beam monoatomic epitaxy.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства наноэлектронных приборов используется активный зонд, представляющий собой совокупность нанотрубок легированных эмиссионно-активными атомами. Эмиссия атомов элементов внедрения возбуждается диффузионным механизмом при нагревании и при пропускании электрического тока вдоль оси нанотрубок (электродиффузионный механизм). Протекание электрического тока по каркасу нанотрубки приводит к резкому возрастанию потока диффузии за счет эффекта увлечения атомов внедрения электронами проводимости каркаса нанотрубки.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing nanoelectronic devices, an active probe is used, which is a collection of nanotubes doped with emission-active atoms. The emission of atoms of the interstitial elements is excited by the diffusion mechanism during heating and when an electric current is passed along the axis of the nanotubes (electrodiffusion mechanism). The flow of an electric current through the nanotube framework leads to a sharp increase in the diffusion flux due to the effect of entrainment atoms being introduced by the conduction electrons of the nanotube framework.

Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 представлена схематическая диаграмма атомных манипуляций с помощью сканирующего туннельного микроскопа: а - перемещение атома вдоль поверхности подложки, б - удаление атома с поверхности подложки и перенос его на зонд, перенос атома с зонда на поверхность подложки;figure 1 presents a schematic diagram of atomic manipulations using a scanning tunneling microscope: a - moving an atom along the surface of a substrate, b - removing an atom from the surface of the substrate and transferring it to the probe, transferring the atom from the probe to the surface of the substrate;

на фиг.2. представлены последовательные стадии процесса формирования бугорка нанометрового размера при использовании метода z-импульса, где а - зонд приближается к поверхности подложки, б - образуется контакт зонда с поверхностью подложки, в - зонд отводится, и «шейка», соединяющая зонд и поверхность подложки, становится тоньше, г - «шейка» рвется, на поверхности подложки остается бугорок из материала зонда.figure 2. successive stages of the formation of a nanometer-sized tubercle using the z-pulse method are presented, where a - the probe approaches the surface of the substrate, b - the probe contacts the surface of the substrate, c - the probe is retracted, and the "neck" connecting the probe and the surface of the substrate becomes thinner, g - the “neck” is torn, a tubercle from the probe material remains on the surface of the substrate.

на фиг.3 представлена гипотетическая схема образования бугорков на поверхности подложки при испарении атомов из структурных каналов нанотрубок зонда сканирующего туннельного микроскопа;figure 3 presents a hypothetical diagram of the formation of tubercles on the surface of the substrate during the evaporation of atoms from the structural channels of the nanotubes of the probe of a scanning tunneling microscope;

на фиг.4 представлена гипотетическая схема образования впадин на поверхности подложки при поглощении атомов подложки структурными каналами нанотрубок зонда сканирующего туннельного микроскопа;figure 4 presents a hypothetical diagram of the formation of depressions on the surface of the substrate during the absorption of atoms of the substrate by the structural channels of the nanotubes of the probe of a scanning tunneling microscope;

при этом на фиг.3 и 4 использованы следующие обозначения:while in figure 3 and 4, the following notation is used:

● - позиции атомов в структурных каналах нанотрубок,● - position of atoms in the structural channels of nanotubes,

× - позиции атомных вакансий в структурных каналах нанотрубок и в структуре подложки,× are the positions of atomic vacancies in the structural channels of nanotubes and in the structure of the substrate,

Ο - позиции атомов в структуре подложки,Ο - position of atoms in the structure of the substrate,

⊗ - позиции атомов подложки, поглощенных структурными каналами нанотрубок,⊗ - position of substrate atoms absorbed by the structural channels of nanotubes,

----- - линия, огибающая поверхность зонда или положки,----- - the line enveloping the surface of the probe or poses,

↓↑ - направление перемещения атомов при образовании бугорков или впадин;↓ ↑ - the direction of movement of atoms during the formation of tubercles or depressions;

на фиг.5 представлена фазовая диаграмма равновесия квазибинарного разреза системы сплавов V2O5 - Nax;figure 5 presents the phase diagram of the equilibrium of the quasi-binary section of the alloy system V 2 O 5 - Na x ;

на фиг.6 представлена пространственная кристаллическая структура Na0,33V2O5 (β-фазы);figure 6 presents the spatial crystal structure of Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase);

на фиг.7 представлена электрическая схема для измерения изменения веса при испарении образца в электрическом поле с максимальной напряженностью Е=40 В/см, с дополнительной ионно-оптической системой к масс-спектрометру, включающей вытягивающий электрод 1 в форме пустотелого конуса и компрессионную линзу 2 в форме пустотелого цилиндра;Fig. 7 shows an electric circuit for measuring the change in weight during evaporation of a sample in an electric field with a maximum intensity of E = 40 V / cm, with an additional ion-optical system to a mass spectrometer, including a pulling electrode 1 in the form of a hollow cone and a compression lens 2 in the form of a hollow cylinder;

на фиг.8 представлены кадры до (слева - 8а) и после (справа - 8б) эмиссии атомов из кристалла оксидной бронзы;on Fig presents frames before (left - 8A) and after (right - 8b) the emission of atoms from an oxide bronze crystal;

на фиг.9 представлена морфология бугорков после эмиссии атомов натрия из кристалла оксидной бронзы;figure 9 presents the morphology of the tubercles after the emission of sodium atoms from a crystal of oxide bronze;

на фиг.10 приведен пример роста отдельного нанозерна золота после эмиссии и адсорбции атомов натрия в центр исходного кадра с параметрами атомной эмиссии и сканирования, аналогичного режиму фиг.8. Размеры кадров до эмиссии (слева) и после эмиссии (справа) также 200×200 нм, максимальный разброс высот на обоих кадрах - около 40 нм;figure 10 shows an example of the growth of an individual gold nanograin after emission and adsorption of sodium atoms in the center of the original frame with the parameters of atomic emission and scanning, similar to the mode of Fig. 8. The sizes of the frames before the emission (left) and after the emission (right) are also 200 × 200 nm, the maximum height spread in both frames is about 40 nm;

на фиг.11 приведен пример возникновения столбчатой наноструктуры на поверхности пленки золота после эмиссии в режиме равномерного сканирования всего поля исходного кадра в течение 100 с с параметрами атомной эмиссии и сканирования, аналогичного режиму фиг.8. Размер этих кадров - 1000×1000 нм, разброс высот на обоих кадрах - около 180 нм;Fig. 11 shows an example of the appearance of a columnar nanostructure on the surface of a gold film after emission in the uniform scanning mode of the entire field of the initial frame for 100 s with atomic emission and scanning parameters similar to the mode of Fig. 8. The size of these frames is 1000 × 1000 nm, the spread in heights in both frames is about 180 nm;

на фиг.12 показан процесс формирования ямки при десорбции атомов золота подложки в монокристалл оксидной бронзы натрия при распаде нанозерна размером более 100×100 нм на меньшие зерна после однократной десорбции аналогичным фиг.8 импульсом;on Fig shows the process of formation of the pits during the desorption of gold atoms of the substrate into a single crystal of sodium bronze oxide with the decay of nanograins larger than 100 × 100 nm into smaller grains after a single desorption by a similar pulse of Fig.8;

на фиг.13 показан распад нанозерна при десорбции его части в кристалл оксидной бронзы;13 shows the decay of a nanograin upon desorption of a part thereof into an oxide bronze crystal;

на фиг.14 показан процесс снятия нанозерен десорбцией с поверхности и переносом их в нанотрубки монокристалла оксидной бронзы (наногеттер).on Fig shows the process of removing nanograins by desorption from the surface and transferring them to the nanotubes of a single crystal of bronze oxide (nanoheter).

Нанесение различных элементов конструкции наноэлектронных приборов на подложку методом одноатомной адсорбции и, одновременно, контроль результатов технологического процесса проводится методом туннельной микроскопии.The application of various structural elements of nanoelectronic devices to the substrate by the method of monatomic adsorption and, at the same time, the control of the results of the technological process is carried out by tunnel microscopy.

В режиме биполярных импульсов туннельного микроскопа эмиттер выполняет последовательно три функции зонда: эмиттера атомов внедрения (при отрицательной полярности на зонде относительно подложки) для создания топологического рисунка на подложке и традиционного сканирующего зонда (при положительной полярности на зонде относительно подложки) для получения изображения результатов поатомной конденсации. При этом предполагается, что положительная полярность на зонде относительно подложки является «запирающей» для атомной эмиссии.In the bipolar pulse mode of a tunneling microscope, the emitter sequentially performs three probe functions: an emitter of interstitial atoms (with a negative polarity on the probe relative to the substrate) to create a topological pattern on the substrate and a traditional scanning probe (with positive polarity on the probe relative to the substrate) to obtain an image of atomic condensation results . It is assumed that the positive polarity on the probe relative to the substrate is "blocking" for atomic emission.

Таким образом, тепловое и электрическое возбуждение в структурных каналах нанотрубок создает управляемый по заданной программе направленный поток единичных атомов на поверхность подложки. Если эмиттер выполнить в форме острия с продольно-ориентированными структурными каналами и расположить плоскую подложку перпендикулярно структурным каналам, то поатомная эмиссия из структурных каналов приведет к контролируемой поатомной конденсации на подложке.Thus, thermal and electrical excitation in the structural channels of nanotubes creates a directed flow of single atoms controlled by a given program to the surface of the substrate. If the emitter is made in the form of a point with longitudinally oriented structural channels and the flat substrate is arranged perpendicular to the structural channels, then atomic emission from the structural channels will lead to controlled atomic condensation on the substrate.

Кроме того, при использовании относительно длительных импульсов можно от одноатомной конденсации плавно перейти от режима одноатомного потока к режиму одноатомной лавины для производства наноразмерных элементов (бугорков) методом кластерной конденсации.In addition, when using relatively long pulses, it is possible to smoothly switch from monatomic condensation from the monatomic flow regime to the monatomic avalanche mode for the production of nanosized elements (tubercles) by the method of cluster condensation.

Таким образом, варьируя химический состав, температуру, ток и длительность импульса зонда, а также температуру и тип подложки, можно получать металлические наноразмерные слои, синтезировать твердые растворы и химические соединения. При выборе промежуточной среды между зондом и подложкой (атмосфера, вакуум, инертный или химически активный газ, жидкость) возможно проводить окислительно-восстановительные реакции на полученном конденсате и осуществлять другие программируемые нанометаллургические процессы.Thus, by varying the chemical composition, temperature, current, and pulse duration of the probe, as well as the temperature and type of substrate, it is possible to obtain metallic nanosized layers and synthesize solid solutions and chemical compounds. When choosing an intermediate medium between the probe and the substrate (atmosphere, vacuum, inert or chemically active gas, liquid), it is possible to carry out redox reactions on the resulting condensate and to carry out other programmable nanometallurgical processes.

При описании физической модели технологии поатомной конденсации методически удобно сначала рассмотреть физическую модель диффузионного электропереноса атомов в структурных каналах материала зонда, а затем - структуру полученного конденсата на поверхности подложки.When describing the physical model of atomic condensation technology, it is methodologically convenient to first consider the physical model of atomic diffusion electron transfer in the structural channels of the probe material, and then the structure of the condensate obtained on the substrate surface.

По имеющимся предварительным экспериментальным данным материалом зонда с эмиссионно-активными атомами элементов внедрения может служить монокристалл какой-либо оксидной бронзы с общей формулой AXMYOZ, где А - символ элемента внедрения, М - символ элемента бронзообразующего оксида, О - символ кислорода, X, Y, Z - стехиометрические коэффициенты. Под элементами внедрения подразумеваются элементы I, II и III групп Периодической системы.According to preliminary experimental data, a probe material with emission-active atoms of interstitial elements can be a single crystal of any oxide bronze with the general formula A X M Y O Z , where A is the symbol of the interstitial element, M is the symbol of the element of bronze-forming oxide, O is the oxygen symbol , X, Y, Z - stoichiometric coefficients. Under the elements of implementation refers to the elements of I, II and III groups of the Periodic system.

Основные измерения проводились на монокристаллах оксидной ванадиевой бронзы натрия Na0,33V2O5 (β-фазы) потому, что данная бронза наиболее изучена по данным публикаций в России и за рубежом. Для синтеза оксидной ванадиевой бронзы натрия Na0,33V2O5 (β-фазы) используются почти все термически распадающиеся соли с катионами натрия.The main measurements were carried out on single crystals of sodium vanadium oxide bronze Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase) because this bronze was most studied according to publications in Russia and abroad. Almost all thermally decomposing salts with sodium cations are used to synthesize sodium vanadium oxide bronze Na 0.33 V 2 O 5 (β-phases).

При твердофазном способе получения оксидной бронзы атомы натрия проникают в кристаллическую решетку оксида ванадия за счет внутренних диффузионных процессов. Стехиометрические смеси соответствующих веществ нагревают в атмосфере воздуха до температуры 400°С-600°С и периодически перетирают. Процесс осуществляется в насыпной шихте, что облегчает выделение газообразных продуктов и способствует быстрейшему прохождению реакции, которая имеет вид (один из вариантов): 0,33 NaCl + V2O5 = Na0,33V2O5 + 0,165 Cl2. Также в качестве натрийсодержащих соединений можно использовать: NaOH, NaNO3, Na2SO4, Na2CO3. Фазовая диаграмма равновесия квазибинарного разреза системы сплавов V2O5 - Nax представлена на фиг.5.In the solid-phase method for producing oxide bronze, sodium atoms penetrate the crystal lattice of vanadium oxide due to internal diffusion processes. Stoichiometric mixtures of the corresponding substances are heated in an atmosphere of air to a temperature of 400 ° C-600 ° C and periodically triturated. The process is carried out in a bulk charge, which facilitates the release of gaseous products and contributes to the fastest passage of the reaction, which has the form (one of the options): 0.33 NaCl + V 2 O 5 = Na 0,33 V 2 O 5 + 0,165 Cl 2 . Also, as sodium-containing compounds, you can use: NaOH, NaNO 3 , Na 2 SO 4 , Na 2 CO 3 . The phase diagram of the equilibrium of the quasi-binary section of the system of alloys V 2 O 5 - Na x is presented in figure 5.

β-фаза представляет собой химическое соединение переменного состава, фиг.1.β-phase is a chemical compound of variable composition, Fig.1.

Плотность стехиометрического состава β-фазы и ее компонентов представлена в табл.1.The density of the stoichiometric composition of the β phase and its components is presented in Table 1.

Табл.1.Table 1. Плотность бронзы и ее компонентовThe density of bronze and its components ВеществоSubstance ρ, г·см-3 ρ, gcm -3 Na0,33V2O5 Na 0.33 V 2 O 5 3,573.57 NaNa 0,140.14 VV 1,921.92 OO 1,511.51

Структура оксидной ванадиевой бронзы натрия (β-фаза) принадлежит к моноклинной сингонии с пространственной группой С2/m. Элементарная ячейка содержит шесть формульных единиц. Параметры решетки приведены в табл.2.The structure of sodium vanadium bronze oxide (β phase) belongs to the monoclinic syngony with the C2 / m space group. The unit cell contains six formula units. The lattice parameters are given in table 2.

Табл.2.Table 2. Кристаллохимические параметры структуры Na0,33V2O5 (β-фазы)Crystallochemical parameters of the structure of Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase) а·10-10, мa · 10 -10 , m b·10-10, мb · 10 -10 , m с·10-10, мs · 10 -10 , m β, градβ, hail 10,07810,078 3,6123,612 15,43515,435 109,6109.6

Пространственная структура Na0,33V2O5 (β-фазы) показана на фиг.2. Атомы ванадия V1 и V2 находятся внутри деформированных кислородных октаэдров. Образующиеся таким образом двойные цепочки, параллельные оси b, соединены между собой общим атомом кислорода. Третий атом ванадия V3 находится внутри бипирамиды с треугольным основанием, в вершинах которой находится кислород. Эти бипирамиды также образуют цепочку, направленную вдоль оси b. Таким образом, образуются так называемые туннели, окруженные ванадий - кислородным каркасом. Внутри таких туннелей располагаются занимающие симметричные позиции ионы металла внедрения (ионы натрия). Пространственная кристаллическая структураThe spatial structure of Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase) is shown in Fig.2. The vanadium atoms V 1 and V 2 are located inside the deformed oxygen octahedra. The double chains thus formed parallel to the b axis are interconnected by a common oxygen atom. The third atom of vanadium V 3 is located inside a bipyramid with a triangular base, at the tops of which there is oxygen. These bipyramids also form a chain along the b axis. Thus, the so-called tunnels are formed, surrounded by vanadium - the oxygen skeleton. Inside such tunnels, interstitial metal ions (sodium ions) occupying symmetrical positions are located. Spatial crystal structure

Na0,33V2O5 (β-фазы) представлена на фиг.6.Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase) is shown in Fig.6.

Таким образом, как следует из табл.2. и фиг.2, расстояние между атомами натрия по длине структурных каналов составляет 3,612·10-10 м.Thus, as follows from table 2. and figure 2, the distance between the sodium atoms along the length of the structural channels is 3,612 · 10 -10 m

Na0,33V2O5 (β-фаза) при низких температурах (до 650 K) относится к полупроводникам n-типа. В соответствии с предложенной энергетической схемой, проводимость монокристалла при комнатной температуре осуществляется преимущественно электронами, поступающими в зону проводимости с донорных уровней, которые образуются вследствие внедрения атомов натрия в октаэдрические пустоты V2O5. Необходимо отметить, что величины удельного электрического сопротивления вдоль оси b и перпендикулярно ей равны соответственно: ρ_=4,6·10-2 Ом·см; ρ=29 Ом·см. Большая анизотропия электрического сопротивления и преимущественная проводимость параллельно туннельной оси b.Na 0.33 V 2 O 5 (β-phase) at low temperatures (up to 650 K) is an n-type semiconductor. In accordance with the proposed energy scheme, the conductivity of a single crystal at room temperature is carried out mainly by electrons entering the conduction band from donor levels, which are formed as a result of the introduction of sodium atoms into the octahedral voids V 2 O 5 . It should be noted that the values of electrical resistivity along the b axis and perpendicular to it are equal respectively: ρ_ = 4.6 · 10 -2 Ohm · cm; ρ = 29 Ohm · cm. Large anisotropy of electrical resistance and predominant conductivity parallel to the tunnel axis b.

В интервале температур 650-970 К в температурной зависимости электропроводности наблюдается появление металлического типа проводимости вдоль направления b, при этом энергия активации уменьшается до нуля.In the temperature range 650–970 K, the appearance of a metallic type of conductivity along the b direction is observed in the temperature dependence of electrical conductivity, while the activation energy decreases to zero.

Атомы натрия («элемент - гость») обладают относительно малой энергией связи в структурных каналах ванадий - кислородного каркаса («решетка - хозяин»), поэтому они обладают достаточно высокой тепловой и электрической диффузионной подвижностью по длине каналов.Sodium atoms (“element - guest”) have relatively low binding energy in the structural channels of vanadium — the oxygen skeleton (“lattice - host”); therefore, they have sufficiently high thermal and electrical diffusion mobility along the length of the channels.

При нагревании монокристалла β-фазы при отсутствии поля внешних сил, в соответствии с первым законом Фика, плотность потока диффузии J, г·см2·с-1, атомов натрия в структурных каналах пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации С:When a β-phase single crystal is heated in the absence of an external force field, in accordance with the first Fick law, the diffusion flux density J, g · cm 2 · s -1 , of sodium atoms in the structural channels is proportional to the diffusion coefficient D and the concentration gradient C:

Figure 00000001
Figure 00000001

Коэффициент диффузии D, см2·с-1, определяется как произведение линейной скорости при тепловом воздействии νT, см·с-1, на длину диффузионного скачка l, см:The diffusion coefficient D, cm 2 · s -1 , is defined as the product of the linear velocity under thermal influence ν T , cm · s -1 , by the length of the diffusion jump l, cm:

Figure 00000002
Figure 00000002

Для диффузии атомов натрия в структурных каналах ванадий - кислородного каркаса линейная тепловая скорость определяется как частное от деления плотности потока диффузии J на плотность атомов натрия в бронзе ρ, г·см-3:For the diffusion of sodium atoms in the structural channels of the vanadium - oxygen skeleton, the linear thermal velocity is determined as the quotient of the division of the diffusion flux density J by the density of sodium atoms in bronze ρ, g · cm -3 :

Figure 00000003
Figure 00000003

В соответствии с табл.1 ρ=0,14 г·см-3.In accordance with table 1 ρ = 0.14 g · cm -3 .

Длина диффузионного скачка l определяется как расстояние между двумя равновесными положениями диффундирующего атома натрия в структурном канале ванадий - кислородного каркаса. В соответствии с табл.2 l=3,612·10-10 м. При известных величинах νТ и l можно определить длительность диффузионного скачка τ, с, и частоту вылета атомов натрия с поверхности эмиссии f, с-1.The length of the diffusion jump l is defined as the distance between the two equilibrium positions of the diffusing sodium atom in the structural channel of the vanadium – oxygen skeleton. In accordance with Table 2, l = 3.612 · 10 -10 m. For known values of ν T and l, one can determine the duration of the diffusion jump τ, s, and the frequency of release of sodium atoms from the emission surface f, s -1 .

Таким образом, для определения коэффициента диффузии натрия в структурных каналах необходимо экспериментально определить плотность потока испарения натрия из образца β-фазы.Thus, in order to determine the diffusion coefficient of sodium in structural channels, it is necessary to experimentally determine the density of the sodium vaporization flux from the β-phase sample.

В связи с тем что атомы натрия находятся в структурных каналах в ионизированном состоянии Na+, численное значение коэффициента диффузии характеризует не только результат теплового воздействия, но и эффект увлечения электронов проводимости ванадий - кислородного каркаса диффундирующими ионами натрия. При достижении связанной ион-электронной пары границы раздела «твердое тело» - «газ (вакуум)» происходит эмиссия низкотемпературной квазинейтральной плазмы.Due to the fact that sodium atoms are in the structural channels in the ionized state of Na + , the numerical value of the diffusion coefficient characterizes not only the result of heat exposure, but also the effect of entrainment of the conduction electrons of vanadium - oxygen skeleton by diffusing sodium ions. When a coupled ion-electron pair reaches the “solid” - “gas (vacuum)” interface, low-temperature quasi-neutral plasma is emitted.

Эффективный заряд иона натрия Na+ определяется по соотношению:The effective charge of sodium ion Na + is determined by the ratio:

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- ток положительных ионов натрия Na+ в структурных каналах при термическом возбуждении в нулевом внешнем электрическом поле,
Figure 00000006
- ток электронов ванадий - кислородного каркаса, возникающий за счет эффекта увлечения электронов положительными ионами натрия Na+ при термическом возбуждении. Если предположить, что ток ионов равен току электронов, то в соответствии с формулой (4) эффективный заряд положительного иона натрия Na+ будет равен нулю, Z0=0.Where
Figure 00000005
- the current of positive sodium ions Na + in the structural channels during thermal excitation in zero external electric field,
Figure 00000006
- current of electrons of vanadium - oxygen skeleton, arising due to the effect of electron entrainment by positive sodium ions Na + during thermal excitation. If we assume that the ion current is equal to the electron current, then, in accordance with formula (4), the effective charge of the positive sodium ion Na + will be zero, Z 0 = 0.

При нагревании монокристалла β-фазы во внешнем электрическом поле, в уравнение первого закона Фика (1) добавляется произведение С·νE, где νE - средняя дополнительная скорость атома натрия в состоянии Na+ в электрическом поле:When a β-phase single crystal is heated in an external electric field, the product С · ν E is added to the equation of the first Fick law (1), where ν E is the average additional velocity of the sodium atom in the Na + state in the electric field:

Figure 00000007
Figure 00000007

В условиях воздействия внешнего электрического поля ток электронов будет значительно превышать ток ионов натрия Na+, и значение эффективного заряда Z0 будет характеризовать количество электронов проводимости, «увлекающих» один положительный ион натрия, минус единица. Так, например, если эффективный заряд положительного иона натрия Z0=-10, то это означает, что 11 электронов проводимости образуют отрицательный динамический заряд. При отключении внешнего электрического поля отрицательный динамический заряд исчезает.Under the influence of an external electric field, the electron current will significantly exceed the current of sodium ions Na + , and the value of the effective charge Z 0 will characterize the number of conduction electrons that “carry away” one positive sodium ion, minus one. So, for example, if the effective charge of a positive sodium ion is Z 0 = -10, then this means that 11 conduction electrons form a negative dynamic charge. When you turn off the external electric field, the negative dynamic charge disappears.

Следует заметить, что отрицательный эффективный заряд характеризует увеличение потока диффузии атомов натрия в состоянии Na+ при протекании тока электронов вдоль структурных каналов за счет увеличения частоты перескоков из одного положения равновесия в другое при неизменной длине диффузионного скачка l.It should be noted that a negative effective charge characterizes an increase in the diffusion flux of sodium atoms in the Na + state during the flow of electrons along structural channels due to an increase in the frequency of jumps from one equilibrium position to another with a constant diffusion jump length l.

Эффективный заряд положительного иона натрия Na+ определяется по формуле, аналогичной (4):The effective charge of a positive sodium ion Na + is determined by a formula similar to (4):

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
и
Figure 00000010
ионный и электронный ток при диффузии во внешнем электрическом поле.Where
Figure 00000009
and
Figure 00000010
ion and electron current during diffusion in an external electric field.

Таким образом, при нагревании в отсутствии внешнего электрического поля атомы натрия в структурных каналах диффундируют в состоянии Na+ с нулевым эффективным зарядом, а при приложении внешнего электрического поля приобретают отрицательный эффективный динамический заряд, способствующий увеличению плотности потока атомов натрия на поверхность раздела «твердое тело» - «газ (вакуум)».Thus, when heated in the absence of an external electric field, sodium atoms in the structural channels diffuse in the Na + state with a zero effective charge, and when an external electric field is applied, they acquire a negative effective dynamic charge, which contributes to an increase in the density of the flux of sodium atoms on the “solid” interface - "gas (vacuum)."

Для измерений потоков испарения атомов натрия применялся монокристалл β-фазы, полученный методом Бриджмена. Исходная шихта синтезировалась по карбонатной технологии. Образец имел форму цилиндра диаметром 5 мм длиной 10 мм.To measure the fluxes of evaporation of sodium atoms, a β-phase single crystal obtained by the Bridgman method was used. The initial charge was synthesized by carbonate technology. The sample was in the form of a cylinder with a diameter of 5 mm and a length of 10 mm.

Измерения проводились на универсальной термогравиметрической установке с воздействием на исследуемый образец электрических и магнитных полей. Установка оснащена квадрупольным масс-спектрометром для анализа газовой фазы над поверхностью образца. Схема установки показана на фиг.7, где представлена электрическая схема для измерения изменения веса при испарении образца в электрическом поле с максимальной напряженностью Е=40 В/см, с дополнительной ионно-оптической системой к масс-спектрометру, включающей вытягивающий электрод 1 в форме пустотелого конуса и компрессионную линзу 2 в форме пустотелого цилиндра. Результаты измерений представлены в табл.3 и 4.The measurements were carried out on a universal thermogravimetric installation with exposure to the sample under study electric and magnetic fields. The setup is equipped with a quadrupole mass spectrometer for analyzing the gas phase above the surface of the sample. The installation diagram is shown in Fig. 7, which shows the electrical circuit for measuring the change in weight during evaporation of the sample in an electric field with a maximum intensity of E = 40 V / cm, with an additional ion-optical system to the mass spectrometer, including a pulling electrode 1 in the form of a hollow a cone and a compression lens 2 in the form of a hollow cylinder. The measurement results are presented in tables 3 and 4.

Табл.3.Table 3. Параметры диффузионных потоков атомов натрия при нагревании образца монокристалла β-фазы в вакууме при нулевом внешнем электрическом полеParameters of diffusion fluxes of sodium atoms upon heating a sample of a single crystal of the β phase in vacuum at zero external electric field t, °Ct, ° C

Figure 00000005

г·см-2·с-1
Figure 00000005

g · cm -2 · s -1
Figure 00000005

см-2·с-1
Figure 00000005

cm -2 · s -1
Figure 00000005

A·см-2
Figure 00000005

A cm -2
Figure 00000011

А·см-2
Figure 00000011

A cm -2
νT
см·с1
ν T
cm · s 1
Z0 Z 0 D
см2·с-1
D
cm 2 s -1
f
c-1
f
c -1
580580 2,6·10-11 2.6 · 10 -11 6,8·1011 6.810 11 1,1·10-6 1.1 · 10 -6 1,1·10-6 1.1 · 10 -6 1,9·10-10 1.9 · 10 -10 00 6,7·10-18 6.7 · 10 -18 5,2·10-3 5.2 · 10 -3 700700 7,6·10-8 7.6 · 10 -8 2·1015 2 · 10 15 3,2·10-4 3.2 · 10 -4 3,2·10-4 3.2 · 10 -4 5,5·10-7 5.5 · 10 -7 00 2·10-14 2 · 10 -14 15fifteen

Табл.4.Table 4. Параметры диффузионных потоков атомов натрия при нагревании образца монокристалла β-фазы в вакууме во внешнем электрическом полеParameters of diffusion fluxes of sodium atoms upon heating a sample of a β-phase single crystal in vacuum in an external electric field t, °Ct, ° C

Figure 00000009

г·см-2·с-1
Figure 00000009

g · cm -2 · s -1
Figure 00000009

см-2·c-1
Figure 00000009

cm -2 · s -1
Figure 00000009

А·см-2
Figure 00000009

A cm -2
Figure 00000012

А·см-2
Figure 00000012

A cm -2
νE
см·с-1
ν E
cm s -1
Z0 Z 0 D
см2·с-1
D
cm 2 s -1
f
c-1
f
c -1
580580 4,6·10-8 4.6 · 10 -8 1,2·1015 1.2 · 10 15 1,9·10-4 1.9 · 10 -4 1·10-1 1 · 10 -1 3,3·10-7 3.3 · 10 -7 -520-520 1,7·10-15 1.7 · 10 -15 99 700700 5,4·10-7 5.4 · 10 -7 1,4·1017 1.410 17 2,2·10-2 2.2 · 10 -2 1,4·10-1 1.4 · 10 -1 3,8·10-5 3.8 · 10 -5 -5-5 1,9·10-13 1.9 · 10 -13 1·103 1 · 10 3

Первые эксперименты по прямому наблюдению адсорбционно-десорбционных процессов на подложке при использовании эмиссионно-активного зонда были проведены с помощью сканирующего зондового микроскопа в туннельном режиме.The first experiments on the direct observation of adsorption-desorption processes on a substrate using an emission-active probe were carried out using a scanning probe microscope in a tunnel mode.

Адсорбционно-десорбционные процессы на подложке проводились в условиях естественной атмосферы воздуха без вакуумирования. В этих условиях на поверхности подложки постоянно находится адсорбат толщиной 20-30 Ангстрем из водяной пленки с естественными атмосферными примесями, характерными для всех твердых поверхностей. Адсорбированные на поверхности подложки атомы натрия были сформированы в виде бугорков, содержащих в объеме до сотни атомов и представляющих собой, по-видимому, агломераты из солей натрия, которые активно образуются при взаимодействии натрия с адсорбированной пленкой воды.Adsorption-desorption processes on the substrate were carried out in a natural atmosphere of air without evacuation. Under these conditions, an adsorbate with a thickness of 20-30 Angstrom from a water film with natural atmospheric impurities characteristic of all solid surfaces is constantly located on the surface of the substrate. Sodium atoms adsorbed on the surface of the substrate were formed in the form of tubercles containing up to hundreds of atoms and, apparently, agglomerates of sodium salts, which are actively formed during the interaction of sodium with an adsorbed film of water.

Сканирующий туннельный микроскоп был использован для изучения адсорбционно-десорбционных процессов потому, что совмещает в себе две необходимых для экспериментов с эмиссией атомов из монокристалла оксидной бронзы функции. Он имеет рекордную для микроскопии разрешающую способность поверхностных структур, вплоть до атомарной в отсутствии адсорбатов, и при своей работе, сканируя, перемещает свой зонд-иглу вдоль поверхности на регулируемом расстоянии от нее с возможностью зависания этой иглой над определенными точками поверхности.A scanning tunneling microscope was used to study adsorption-desorption processes because it combines the two functions necessary for experiments with the emission of atoms from a single crystal of oxide bronze. It has a record for microscopy resolution of surface structures, up to atomic in the absence of adsorbates, and during its operation, scanning, moves its probe needle along the surface at an adjustable distance from it with the possibility of this needle hanging above certain points on the surface.

Из монокристалла оксидной бронзы была изготовлена универсальная игла-зонд, с помощью которой на одном и том же участке подложки производилось получение кадра сканированием рельефа туннельным током, выбиралась точка, в которую подводился зонд, производилась эмиссия атомов натрия и далее проводилось повторное сканирование первоначального кадра для регистрации изменений рельефа подложки после эмиссии.A universal probe needle was made from a single crystal of oxide bronze, with the help of which a frame was obtained on the same portion of the substrate by scanning the relief with a tunnel current, the point at which the probe was brought in, the emission of sodium atoms was performed, and then the initial frame was re-scanned for registration changes in the relief of the substrate after emission.

Сканирование туннельным током проводилось при малых положительных напряжениях от 0 до + 1 В на зонде, атомная эмиссия осуществлялась при отрицательных напряжениях до -5 В. Подложка в режимах сканирования и атомной эмиссии имела нулевой потенциал. И при сканировании, и при атомной эмиссии микроскоп автоматически поддерживал общий заданный электрический ток на заданном оператором уровне значений от 0,1 до 16 нА. При сканировании заданный ток являлся электронным, а при атомной эмиссии равен разности тока эмиссии положительных ионов и тока туннельных электронов.Tunnel current scanning was carried out at small positive voltages from 0 to + 1 V on the probe, atomic emission was carried out at negative voltages up to -5 V. The substrate in the scanning and atomic emission modes had zero potential. Both during scanning and during atomic emission, the microscope automatically maintained the total specified electric current at a level set by the operator from 0.1 to 16 nA. During scanning, the specified current was electronic, and during atomic emission it is equal to the difference between the emission current of positive ions and the current of tunneling electrons.

Подготовка зондов проводилась методом раскалывания монокристалла. При этом получались иголки, из которых для работы выбирались наиболее острые с радиусом закругления около 4-10 нм. Для закрепления хрупкого игольчатого монокристалла в микроскопе, он сначала впаивался задним концом в тонкостенную трубку из нержавеющей стали с внешним диаметром 0.8 мм. Острый конец иголки выступал на 1-2 мм из трубки. Затем трубка зажималась в держателе иглы микроскопа.The preparation of the probes was carried out by splitting the single crystal. In this case, needles were obtained, from which the sharpest ones with a radius of curvature of about 4-10 nm were chosen for work. To fix a fragile needle-shaped single crystal in a microscope, it was first soldered with its rear end into a thin-walled stainless steel tube with an external diameter of 0.8 mm. The sharp end of the needle protruded 1-2 mm from the tube. Then the tube was clamped in the needle holder of the microscope.

В качестве подложки была выбрана подложка из меди с напыленной пленкой чистого (99.98 мас.%) золота толщиной 20 мкм, которая была и химически инертной, и идеально без шумов работала в режиме сканирования туннельным током. Поверхность золота имела явно выраженную поликристалличность с размером зерен около 1 мкм. Для наблюдения процессов атомной эмиссии сначала делался обзорный кадр размером около 10×10 мкм, на котором выбиралось приемлемое место, например, ровная поверхность зерна. Кадры с явно выраженными результатами эмиссии имели размер не более 1×1 мкм, но сами бугорки, являющиеся результатом атомной эмиссии, наблюдались только при еще большем увеличении и еще меньшем размере кадра соответственно, начиная с кадров размером 200×200 нм. Дальнейшее уменьшение кадра до размеров менее 100×100 нм с целью еще более подробного рассмотрения эмитированных бугорков не дало результатов из-за физического ограничения разрешения адсорбатом.As a substrate, a copper substrate with a sprayed film of pure (99.98 wt.%) Gold of 20 μm thick was chosen, which was both chemically inert and ideally worked without noise in the scanning mode by tunneling current. The gold surface had a pronounced polycrystallinity with a grain size of about 1 μm. To observe the processes of atomic emission, a survey frame of about 10 × 10 μm in size was first made, on which an acceptable place was chosen, for example, a flat grain surface. Frames with pronounced emission results had a size of not more than 1 × 1 μm, but the tubercles themselves, which are the result of atomic emission, were observed only with even greater magnification and even smaller frame size, respectively, starting from frames with a size of 200 × 200 nm. Further reduction of the frame to sizes less than 100 × 100 nm in order to further examine the emitted tubercles in more detail did not give results due to the physical limitation of the resolution of the adsorbate.

Итогом экспериментов с работой кристаллов оксидной бронзы в туннельном микроскопе явилось не только ожидавшееся наблюдение эмиссии из них атомов с адсорбцией на поверхности подложки, но и также несколько дополнительных явлений. Были обнаружены процессы структурной перестройки поверхности, адсорбировавшей эти эмитированные атомы, и, кроме того, была обнаружена десорбция атомов натрия с поверхности золота путем их втягивания (геттерирования) в монокристалл оксидной бронзы по механизму полевого испарения в электрическом поле противоположного знака.The result of experiments with the operation of oxide bronze crystals in a tunneling microscope was not only the expected observation of the emission of atoms from them with adsorption on the surface of the substrate, but also several additional phenomena. The processes of structural rearrangement of the surface adsorbing these emitted atoms were discovered, and, in addition, the desorption of sodium atoms from the gold surface by their pulling (gettering) into a single oxide bronze crystal by the field evaporation mechanism in an opposite electric field was discovered.

На фиг.8. показан характерный результат для основного наблюдавшегося процесса эмиссии атомов натрия из структурных каналов нанотрубок монокристаллического зонда из оксидной ванадиевой бронзы натрия на поверхность подложки. Оба кадра, 8а) - левый и 8б) - правый, получены сканированием на туннельном токе величиной 5 нА при напряжении сканирования +0,5 В на зонде. Размеры кадров - 100×100 нм, максимальный разброс высот - 9 нм на левом кадре и 10 нм на правом кадре.On Fig. A characteristic result is shown for the main observed process of emission of sodium atoms from the structural channels of nanotubes of a single crystal probe from sodium vanadium oxide bronze to the substrate surface. Both frames, 8a) - left and 8b) - right, were obtained by scanning at a tunneling current of 5 nA with a scanning voltage of +0.5 V on the probe. The frame sizes are 100 × 100 nm, the maximum spread in heights is 9 nm in the left frame and 10 nm in the right frame.

На левом кадре (фиг.8а) показана исходная поверхность золотой подложки. Для проведения адсорбции атомов натрия на золотую подложку зонд был выставлен в центр площадки левого кадра. Зазор составлял примерно 1 нм между ее концом и подложкой. При этом на зонд для осуществления эмиссии атомов натрия подавалось отрицательное напряжение -5 В с поддержанием суммарного туннельного и эмиссионного тока в 5 нА в течение 5 с. Затем было проведено сканирование и получен правый кадр (фиг.8б).On the left frame (figa) shows the original surface of the gold substrate. To carry out the adsorption of sodium atoms on a gold substrate, the probe was placed in the center of the left frame area. The gap was about 1 nm between its end and the substrate. At the same time, a negative voltage of -5 V was applied to the probe for the emission of sodium atoms, maintaining a total tunneling and emission current of 5 nA for 5 s. Then a scan was carried out and the right frame was obtained (Fig. 8b).

Диаметр находящегося в непосредственной близости от подложки острия зонда всего 4-10 нм, диаметр пятна эмиссии атомов натрия - области возникновения бугорков - составил величину около 80-100 нм. Таким образом, эмиссия атомов натрия происходит из многих каналов, находящихся от подложки на расстоянии примерно до 50 нм, где напряженность поля спадает до 1 МВ/см, когда на острие зонда напряженность достигает 50 МВ/см.The diameter of the probe tip located in the immediate vicinity of the substrate was only 4–10 nm, and the diameter of the spot of emission of sodium atoms — the region of origin of the tubercles — was about 80–100 nm. Thus, the emission of sodium atoms occurs from many channels located at a distance of about 50 nm from the substrate, where the field strength drops to 1 MV / cm, when the voltage reaches 50 MV / cm at the tip of the probe.

Морфология бугорков после эмиссии атомов натрия из кристалла оксидной бронзы представлена фиг.9. Морфология бугорков на кадре после эмиссии атомов натрия (фиг.9) оценивалась как с помощью сечений, проводимых по этому кадру, так и гранулометрическим анализом. Диаметр образовавшихся бугорков - от 0.5 нм до 30 нм, причем распределение по диаметрам довольно равномерное. Расстояние между центрами бугорков - от 1 до 20 нм. Высота бугорков, измеренная по сечениям - от 0.5 до 5 нм. Кроме возникновения бугорков, довольно часто наблюдаются процессы структурной перестройки поверхности подложки золота, на которой адсорбировались эмитированные из монокристалла оксидной бронзы атомы натрия.The morphology of the tubercles after the emission of sodium atoms from an oxide bronze crystal is shown in Fig. 9. The morphology of the tubercles in the frame after the emission of sodium atoms (Fig. 9) was evaluated using cross sections taken along this frame, as well as particle size analysis. The diameter of the formed tubercles is from 0.5 nm to 30 nm, and the diameter distribution is rather uniform. The distance between the centers of the tubercles is from 1 to 20 nm. The height of the tubercles, measured by sections, is from 0.5 to 5 nm. In addition to the appearance of tubercles, processes of structural rearrangement of the surface of a gold substrate are quite often observed, on which sodium atoms emitted from a single crystal of oxide bronze are adsorbed.

На фиг.10 приведен пример роста отдельного нанозерна золота после эмиссии и адсорбции атомов натрия в центр исходного кадра с параметрами атомной эмиссии и сканирования, аналогичного режиму фиг.8. Размеры кадров до эмиссии, представленные на фиг.10а (слева), и после эмиссии, представленные на фиг.10б (справа), также 200×200 нм, максимальный разброс высот на обоих кадрах - около 40 нм.Figure 10 shows an example of the growth of an individual gold nanograin after emission and adsorption of sodium atoms in the center of the original frame with the parameters of atomic emission and scanning, similar to the mode of Fig. 8. The sizes of the frames before emission, shown in Fig. 10a (left), and after the emission, presented in Fig. 10b (right), are also 200 × 200 nm, the maximum height spread in both frames is about 40 nm.

На фиг.11 приведен пример возникновения столбчатой наноструктуры на поверхности пленки золота после эмиссии в режиме равномерного сканирования всего поля исходного кадра в течение 100 с с параметрами атомной эмиссии и сканирования, аналогичного режиму рис.8. Размер этих кадров - 1000×1000 нм, разброс высот на обеих кадрах - около 180 нм.Figure 11 shows an example of the appearance of a columnar nanostructure on the surface of a gold film after emission in the uniform scanning mode of the entire field of the initial frame for 100 s with atomic emission and scanning parameters similar to the regime in Fig. 8. The size of these frames is 1000 × 1000 nm, the spread in heights in both frames is about 180 nm.

Процессы десорбции атомов поверхности золота по механизму полевой десорбции с внедрением их в структурные каналы нанотрубок оксидной бронзы наблюдались при таком же напряжении в течение некоторого времени, но при положительных полярностях этого напряжения на зонде.The processes of desorption of gold surface atoms by the field desorption mechanism with their introduction into the structural channels of oxide bronze nanotubes were observed at the same voltage for some time, but with positive polarities of this voltage on the probe.

На фиг.12 показано, как после приложения напряжения +5 В в течение 5 с с током 5 нА при подводе зонда на расстояние 1 нм от подложки в точку, отмеченную на первоначальном кадре кружком, возникает сначала небольшое углубление, показанное на втором кадре. При последующих аналогичных циклах приложения напряжения это углубление развивается в итоге в показанную на четвертом кадре ямку размером около 20 нм диаметром и 15 нм глубиной. Размер всех кадров - 200×200 нм, максимальный разброс высот - около 40 нм. Следует отметить принципиальное отличие наблюдаемой полевой десорбции от адсорбции атомов натрия - локальность десорбции значительно выше и ненамного больше диаметра острия зонда, когда диаметр пятна адсорбции значительно больше, около 100 нм.12 shows how, after applying +5 V for 5 s with a current of 5 nA, when the probe is applied 1 nm from the substrate to the point marked in the initial frame by the circle, a small depression, shown in the second frame, first appears. In subsequent similar cycles of voltage application, this recess develops as a result into the fossa shown in the fourth frame with a size of about 20 nm in diameter and 15 nm in depth. The size of all frames is 200 × 200 nm; the maximum spread in heights is about 40 nm. It should be noted that the observed field desorption is fundamentally different from adsorption of sodium atoms - the desorption locality is much higher and slightly larger than the probe tip diameter, when the diameter of the adsorption spot is much larger, about 100 nm.

Структурная перестройка поверхности также наблюдается и при десорбции атомов. На фиг.12 показан случай распада нанозерна размером более 100×100 нм на меньшие зерна после однократной десорбции аналогичным фиг.8 импульсом. Размер образовавшейся ямки здесь также не большой, около 30 Ангстрем. Размер кадров по фиг.9 - 200×200 нм, максимальный разброс высот - около 80 нм.Structural rearrangement of the surface is also observed during atom desorption. On Fig shows the case of the decay of nanograins larger than 100 × 100 nm into smaller grains after a single desorption similar to Fig.8 pulse. The size of the formed pit here is also not large, about 30 Angstroms. The frame size in Fig.9 - 200 × 200 nm, the maximum spread of heights - about 80 nm.

Интересен также результат десорбции при приложении к зонду напряжения +5 В и равномерном сканировании по всему кадру в течение 20 с на расстоянии 1 нм зонда от поверхности. Зонд из монокристалла оксидной бронзы здесь выполняет функцию «наногеттера», затягивая в себя все нанопорошинки золота, слабо прикрепленные к подложке. После работы этого «наногеттера» поверхность пленки золота (фиг.10, кадр слева), на которой много нанозерен диаметром 2-10 нм, стала иметь явно выраженный пористый характер с порами диаметром 2-10 нм и глубиной также 2-10 нм. Размер кадров по фиг.10 - 200×200 нм, максимальный разброс высот - около 20 нм на исходном кадре и около 30 нм на кадре с порами.The desorption result is also interesting when a +5 V voltage is applied to the probe and uniformly scans the entire frame for 20 s at a distance of 1 nm of the probe from the surface. The oxide bronze single crystal probe serves as a “nano getter” here, drawing in all the gold nanopowders weakly attached to the substrate. After the operation of this “nano getter”, the surface of the gold film (Fig. 10, frame on the left), on which there are many nanograins with a diameter of 2-10 nm, began to have a pronounced porous character with pores with a diameter of 2-10 nm and a depth of 2-10 nm. The frame size in FIG. 10 is 200 × 200 nm, the maximum height spread is about 20 nm in the original frame and about 30 nm in the frame with pores.

Таким образом, использование описываемого способа производства наноэлектронных приборов позволяет проводить адсорбционные процессы в режиме переноса одноатомных частиц или атомных пакетов атомов элементов I, II и III групп Периодической системы из структурных каналов нанотрубок оксидных бронз на поверхность подложек и проводить также десорбционные процессы переноса поверхностных атомов или атомных пакетов элементов I, II и III групп Периодической системы с поверхности подложек в структурные каналы оксидных нанотрубок оксидных бронз с накоплением их в объеме зонда (эффект геттерирования) с одновременной визуализацией результатов на поверхности подложек в режиме зондового электронного микроскопа при ручном или автоматическом управлении.Thus, the use of the described method for the production of nanoelectronic devices makes it possible to carry out adsorption processes in the mode of transfer of monatomic particles or atomic packets of atoms of elements of groups I, II, and III of the Periodic system from the structural channels of oxide bronze nanotubes onto the surface of substrates and also carry out desorption processes of transfer of surface atoms or atomic packages of elements of groups I, II, and III of the Periodic system from the surface of the substrates to the structural channels of oxide nanotubes of oxide bronzes with n their accumulation in the probe volume (gettering effect) with simultaneous visualization of the results on the substrate surface in the mode of the probe electron microscope by manual or automatic control.

Таким образом, технический результат, получаемый при осуществлении описываемого изобретения, выражается в увеличении долговечности работы зонда и в улучшении воспроизводимости формы получаемых элементов наноструктур.Thus, the technical result obtained by the implementation of the described invention is expressed in increasing the durability of the probe and in improving the reproducibility of the shape of the obtained elements of nanostructures.

Кроме того, имеется возможность долговременно проводить адсорбцию атомов на подложку и десорбцию атомов с подложки без изменения формы зонда и использовать автоматическое управление адсорбционно-десорбционными процессами в широком интервале плотности потока адсорбирующихся и десорбирующихся атомов.In addition, it is possible to carry out adsorption of atoms on a substrate and desorption of atoms from a substrate for a long time without changing the shape of the probe and use automatic control of adsorption-desorption processes in a wide range of flux density of adsorbed and desorbed atoms.

Источники информации к заявке на патентSources of information for patent applications

1. З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, А.В.Круглов. Исследование самоорганизующихся островков Ge на Si (100) с помощью атомно-силового микроскопа. "Известия АН: Серия физическая", т.63(2), стр.287-289 (1999).1. Z.F. Krasilnik, A.V. Novikov, V.V. Postnikov, D.O. Filatov, A.V. Kruglov. Investigation of self-organizing Ge islands on Si (100) using an atomic force microscope. "Proceedings of the Academy of Sciences: Physical Series", t. 63 (2), pp. 287-289 (1999).

2. Введение в физику поверхности / К.Оура, В.Г.Лифшиц, А.А.Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма. - М.: Наука, 2006. 490 с.2. Introduction to surface physics / K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, M. Katayama. - M .: Nauka, 2006.490 s.

3. Фотиев А.А., Волков В.Л., Капусткин В.К. Оксидные ванадиевые бронзы. М.: Наука, 1978. - 176 с.3. Fotiev A.A., Volkov V.L., Kapustkin V.K. Vanadium oxide bronzes. M .: Nauka, 1978.- 176 p.

4. Озеров Р.П. Кристаллохимия кислородных ванадиевых бронз. М.: Кристаллография, 1957, т.2, вып.2, стр.226-232.4. Ozerov R.P. Crystal chemistry of oxygen vanadium bronzes. M.: Crystallography, 1957, v. 2, issue 2, pp. 226-232.

5. Орнатская З.И. Электрические свойства кислородных ванадиевых бронз. ФТТ, 1964, т.6. вып.4, с.1254-1256.5. Ornatskaya Z.I. Electrical properties of oxygen vanadium bronzes. FTT, 1964, v.6. issue 4, p. 1254-1256.

6. Фотиев А.А., Ивакин А.А. Ванадиевые соединения щелочных металлов. Свердловск: УФ АН СССР, 1970, стр.153.6. Fotiev A.A., Ivakin A.A. Vanadium compounds of alkali metals. Sverdlovsk: UV USSR Academy of Sciences, 1970, p. 153.

7. Фотиев А.А., Волков В.Л., Капусткин В.К. Фазовый переход полупроводник - металл в кислородных ванадиевых бронзах. ДАН СССР, 1975, т.223, №6, стр.1398-1400.7. Fotiev A.A., Volkov V.L., Kapustkin V.K. Semiconductor - metal phase transition in oxygen vanadium bronzes. DAN USSR, 1975, t.223, No. 6, pp. 1398-1400.

8. Петров B.C., Фонарев Г.С., Кожевников В.Л. Построение фазовой T-δ диаграммы равновесия YBa2Cu3O7-δ по данным о скорости превращения при диссоциации в вакууме. Сверхпроводимость: физика, химия, техника, т.5, №6. 1992, с.1090-1096.8. Petrov BC, Fonarev G.S., Kozhevnikov V.L. Construction of a phase T-δ equilibrium diagram of YBa 2 Cu 3 O 7-δ from the data on the rate of transformation during dissociation in vacuum. Superconductivity: physics, chemistry, technology, vol. 5, No. 6. 1992, p. 1090-1096.

9. Петров B.C. Комплекс измерительных модулей для определения термодинамических и кинетических констант процессов, происходящих в катодных, геттерных, сверхпроводящих, радиопоглощающих и сенсорных материалах при нагревании в вакууме и в условиях воздействия электрических и магнитных полей. Perspective Technologies, Materials and Equipments of Solid-State Electronic Components: Proceedings of 2nd Russian-Japanese Seminar. - М.: 2004, MISA Publishing, pp.138-143.9. Petrov BC A complex of measuring modules for determining the thermodynamic and kinetic constants of processes occurring in cathode, getter, superconducting, radar absorbing and sensor materials when heated in vacuum and under the influence of electric and magnetic fields. Perspective Technologies, Materials and Equipments of Solid-State Electronic Components: Proceedings of 2 nd Russian-Japanese Seminar. - M .: 2004, MISA Publishing, pp.138-143.

10. Величко А.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Путролайнен В.В., Черемисин А.Б., Мануйлов С.А., Кулдин Н.А., Логинов Б.А. Получение наноструктур на основе оксидов переходных металлов. Нанотехника. №2. С.89-95 (2006).10. Velichko A.A., Parchment A.L., Stefanovich GB, Putrolayn V.V., Cheremisin A.B., Manuylov S.A., Kuldin N.A., Loginov B.A. Obtaining nanostructures based on transition metal oxides. Nanotechnology. No. 2. S.89-95 (2006).

11. В.М.Корнилов, А.Н.Лачинов, Б.А.Логинов. Особенности формирования наноструктур при СТМ-исследовании поверхности кремния. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2006, 5, с.11-14.11. V.M. Kornilov, A.N. Lachinov, B.A. Loginov. Features of the formation of nanostructures in the STM study of the silicon surface. Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies, 2006, 5, pp. 11-14.

Claims (2)

1. Способ производства наноэлектронных и наномеханических приборов путем адсорбции отдельных атомов на поверхность подложки и путем десорбции отдельных атомов с поверхности подложки для формирования наноэлектронного или наномеханического прибора с визуализацией результатов процесса на всех этапах, отличающийся тем, что формирование прибора осуществляют зондом, размещаемым перпендикулярно подложке и выполненным в виде совокупности нанотрубок из оксидной бронзы, легированных эмиссионно-активными атомами элемента внедрения, с общей формулой AXMYOZ, где А - символ элемента внедрения, выбираемого из элементов, относящихся к группам от I до III Периодической таблицы химических элементов, М - символ элемента бронзообразующего оксида, О - символ кислорода, X, Y, Z - стехиометрические коэффициенты, адсорбирующиеся на поверхности подложки атомы поступают из структурных каналов нанотрубок зонда при пропускании электрического тока вдоль структурных каналов за счет электродиффузии в структурных каналах нанотрубок и испарения из зонда с последующей адсорбцией на поверхности подложки, а десорбирующиеся атомы с поверхности подложки поступают в структурные каналы нанотрубок зонда при пропускании электрического тока вдоль структурных каналов за счет ориентированного по направлению структурных каналов полевого испарения с поверхности подложки, внедрения атомов в структурные каналы и дальнейшей электродиффузии внедренных атомов в структурных каналах нанотрубок.1. A method of manufacturing nanoelectronic and nanomechanical devices by adsorption of individual atoms on the surface of the substrate and by desorption of individual atoms from the surface of the substrate to form a nanoelectronic or nanomechanical device with visualization of the results of the process at all stages, characterized in that the formation of the device is carried out by a probe placed perpendicular to the substrate and made in the form of a combination of oxide bronze nanotubes doped with emission-active atoms of the interstitial element, with a total by the formula A X M Y O Z , where A is the symbol of the insertion element selected from elements belonging to groups I to III of the Periodic table of chemical elements, M is the symbol of the element of bronze-forming oxide, O is the symbol of oxygen, X, Y, Z are stoichiometric the coefficients adsorbed on the surface of the substrate, the atoms come from the structural channels of the nanotubes of the probe by passing an electric current along the structural channels due to electrodiffusion in the structural channels of the nanotubes and evaporation from the probe, followed by adsorption on the surface under ozhki and desorbing atoms from the surface of the substrate enter the structural channels probe nanotubes by passing an electric current along the channel due to structural oriented in the direction of the structural channels field evaporation from the substrate surface, the introduction of atoms in the structural channels and further electrodiffusion interstitial atoms in the structural channels nanotubes. 2. Способ производства наноэлектронных и наномеханических приборов по п.1, отличающийся тем, что формирование прибора осуществляют зондом с радиусом закругления острия около 4-10 нм. 2. The production method of nanoelectronic and nanomechanical devices according to claim 1, characterized in that the formation of the device is carried out by a probe with a radius of curvature of the tip of about 4-10 nm.
RU2007137024/28A 2007-10-08 2007-10-08 Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments RU2389681C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137024/28A RU2389681C2 (en) 2007-10-08 2007-10-08 Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137024/28A RU2389681C2 (en) 2007-10-08 2007-10-08 Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007137024A RU2007137024A (en) 2009-04-20
RU2389681C2 true RU2389681C2 (en) 2010-05-20

Family

ID=41017227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007137024/28A RU2389681C2 (en) 2007-10-08 2007-10-08 Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2389681C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2480702C2 (en) * 2011-07-05 2013-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования"Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) Electric convection heat exchanger with nanostructured electrodes, and control method of electric convection process
RU2528548C2 (en) * 2012-10-17 2014-09-20 Капустин Владимир Иванович Organic ion thermoemitter

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2480702C2 (en) * 2011-07-05 2013-04-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования"Юго-Западный государственный университет"(ЮЗГУ) Electric convection heat exchanger with nanostructured electrodes, and control method of electric convection process
RU2528548C2 (en) * 2012-10-17 2014-09-20 Капустин Владимир Иванович Organic ion thermoemitter

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007137024A (en) 2009-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Imaging beam‐sensitive materials by electron microscopy
Ji et al. Rare-earth hexaborides nanostructures: recent advances in materials, characterization and investigations of physical properties
JP6434978B2 (en) Graphene modification
Wu et al. Enhanced response characteristics of p-porous silicon (substrate)/p-TeO2 (nanowires) sensor for NO2 detection
Zhang et al. High performance In2 (MoO4) 3@ In2O3 nanocomposites gas sensor with long-term stability
RU2389681C2 (en) Method for production of nanoelectronic and nanomechanical instruments
Huang et al. Fabrication of patterned boron carbide nanowires and their electrical, field emission, and flexibility properties
Nishikwa et al. Atom-by-atom analysis of non-metallic materials by the scanning atom probe
Tang et al. Whole-journey nanomaterial research in an electron microscope: from material synthesis, composition characterization, property measurements to device construction and tests
Neilson Synthesis of nitrogen-doped graphene on copper from azafullerene
Cui Characterization of individual straight and kinked boron carbide nanowires
Soboleva Microscopy investigation of the surface of some modern magnetic materials
He Electronic Property Engineering in a Ferroelectric Oxide: Nanostructuring and Advanced Characterization.
Wang Adsorbate-induced nanoscale faceting of rhenium surfaces
Jnawali Growth, morphology, and conductivity in semimetallic/metallic films on Si (001)
Tian Synthesis and Applications of Functionalized Two-Dimensional van der Waals Heterostructures
Li et al. A large quantity synthesis of ZnO nanoneedles and their polarity determination
Guha Silver Nanostructures on Oxide Surfaces: Growth, Characterizations and Applications
Lupan et al. Fabrication and characterization of ultra violet photosensor based on single ZnO nanorod
Elvarsson Growth and characterization of honeycomb SiC monolayer on a TaC (111) surface
Akter Exploration of Structure-Property Relationship and Growth Mechanism of 1D Nanowires Using Transmission Electron Microscopy
Corso Boron nitride nanostructures on transition metals: flat layers and nanomesh
Cho et al. Synthesis of Gallium Oxide Nanomaterials on Source Material Supply and Their Growth Behavior
Dorsett et al. Growth of Au on Ge (110)
VARGHESE Transition Metal Oxide Nanostructures: Shape Controlled Synthesis, Characterizations and Studies of Physical Properties

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121009