RU2624836C1 - Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer - Google Patents
Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2624836C1 RU2624836C1 RU2016133227A RU2016133227A RU2624836C1 RU 2624836 C1 RU2624836 C1 RU 2624836C1 RU 2016133227 A RU2016133227 A RU 2016133227A RU 2016133227 A RU2016133227 A RU 2016133227A RU 2624836 C1 RU2624836 C1 RU 2624836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanowires
- ferromagnetic
- copper
- substrate
- epitaxial
- Prior art date
Links
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 120
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 title claims abstract description 106
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 title abstract 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 22
- JUZTWRXHHZRLED-UHFFFAOYSA-N [Si].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu] Chemical compound [Si].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu] JUZTWRXHHZRLED-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910021360 copper silicide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 32
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 9
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910018023 Cu2Si Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 51
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 30
- 238000002128 reflection high energy electron diffraction Methods 0.000 description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 8
- 229910005329 FeSi 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 238000002003 electron diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000000025 interference lithography Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способу создания массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.The invention relates to the field of nanotechnology, and in particular to a method for creating an array of ordered ferromagnetic nanowires on a stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper.
В настоящее время интенсивно исследуются технологии создания упорядоченных наноструктур и наноструктурированных массивов. Стремительное развитие физики наноматериалов обусловлено перспективами их практического применения. На базе магнитных наноструктур разрабатываются магниторезистивная память, вихревая память, элементы магнитной логики и среды для записи информации. Магнитные нанопроволоки, обладая одноосной анизотропией, могут найти применение как магнитные носители данных с высокой плотностью записи, GMR датчики, биомагнитные и медицинские устройства.Currently, intensively studied are the technologies for creating ordered nanostructures and nanostructured arrays. The rapid development of nanomaterial physics is due to the prospects of their practical application. Based on magnetic nanostructures, magnetoresistive memory, vortex memory, magnetic logic elements, and media for recording information are being developed. Magnetic nanowires, possessing uniaxial anisotropy, can be used as high-density magnetic storage media, GMR sensors, biomagnetic and medical devices.
Для создания нанопроволок применяют различные методы, базирующиеся на самоорганизации, использовании шаблонов или их комбинации, например метод электроосаждения в шаблоны из анодированного оксида алюминия [1], или используют литографические методы на поверхности подложки [2].To create nanowires, various methods are used based on self-organization, the use of templates or a combination thereof, for example, the method of electrodeposition in templates of anodized alumina [1], or lithographic methods are used on the substrate surface [2].
Существует множество способов получения нанопроволок с разным кристаллическим качеством с помощью специально созданных технологических условий. Один из способов улучшения структуры получаемых материалов на поверхности подложки - формирование предварительной прослойки - слоя буфера.There are many ways to obtain nanowires with different crystalline quality using specially created technological conditions. One of the ways to improve the structure of the materials obtained on the surface of the substrate is the formation of a preliminary layer - a buffer layer.
Известен способ получения буферного слоя меди в условиях сверхвысокого вакуума на Si(111) [3]. Предварительную дегазацию подложек Si осуществляют косвенным прогревом в течение 8 ч при температуре 500-550°C. Для получения атомарно-чистой поверхности слой естественного окисла (SiO2) удаляют прогревом при температуре ~1200°C в течение 1 мин путем пропускания постоянного тока через образец. Скорость осаждения и толщина слоя медного буфера составила 0.9 нм/мин и 2.4 нм соответственно. В результате формируют ненапряженную химически чистую эпитаксиальную пленку меди с поверхностной реконструкцией Cu(111)1×1-R30°.A known method of obtaining a buffer layer of copper under ultrahigh vacuum on Si (111) [3]. The preliminary degassing of Si substrates is carried out by indirect heating for 8 h at a temperature of 500-550 ° C. To obtain an atomically clean surface, the layer of natural oxide (SiO 2 ) is removed by heating at a temperature of ~ 1200 ° C for 1 min by passing a direct current through the sample. The deposition rate and the thickness of the layer of copper buffer were 0.9 nm / min and 2.4 nm, respectively. As a result, an unstressed chemically pure epitaxial copper film is formed with a surface reconstruction of Cu (111) 1 × 1-R30 °.
Известен способ получения магнитных нанопроволок силицида железа на Si(110) [4]. Нанопроволоки FeSi2 формируют методом самоорганизации при толщине покрытия Fe в 1 МС (монослой) и температуре подложки 700°C на Si(110) в ультравысоком вакууме. Средние геометрические параметры получаемых нанопроволок FeSi2 составляют (5 нм - высота, 10 нм - ширина, 1 мкм - длина). Нанопроволоки FeSi2 имеют кубическую решетку и ориентируются на поверхности подложки Si: FeSi2(-111)//Si(1-11), FeSi2<110>//Si<110>. Аналог имеет ряд недостатков: формируемые на поверхности Si проволоки FeSi2 распределены случайным образом, а в самоорганизованных нанопроволоках FeSi2 отсутствуют строго определенные геометрические параметры.A known method of producing magnetic nanowires of iron silicide on Si (110) [4]. FeSi 2 nanowires are formed by self-organization at an Fe coating thickness of 1 MS (monolayer) and a substrate temperature of 700 ° C on Si (110) in ultra-high vacuum. The geometric mean parameters of the resulting FeSi 2 nanowires are (5 nm - height, 10 nm - width, 1 μm - length). FeSi 2 nanowires have a cubic lattice and are oriented on the surface of the Si substrate: FeSi 2 (-111) // Si (1-11), FeSi 2 <110> // Si <110>. The analogue has a number of drawbacks: FeSi 2 wires formed on the Si surface are randomly distributed, and in self-organized FeSi 2 nanowires there are no strictly defined geometric parameters.
Известен способ получения эпитаксиальных нанопроволок Fe шириной 300 нм методом лазерно-интерференционной литографии и химического травления [5]. Для этого формируют пленку Fe толщиной 20 нм с буферным слоем Cu толщиной 150 нм методом электронно-лучевого осаждения. Затем на поверхность эпитаксиальной пленки Cu(3 HM)/Fe(20 нм)/Cu(150 нм) наносят положительный фоторезист (PR: MEGAPOSIT SPR 510-А positive). Поверхность образца облучают методом лазерно-интерференционной литографии с длиной волны излучения лазера Х=325 нм. Затем слой Fe травят в растворе HNO3; для удаления фоторезиста используют ацетон. Данный способ позволяет изготавливать массив упорядоченных эпитаксиальных нанопроволок Fe, ориентированных в плоскости подложки. Недостатком данного способа является то, что в результате использования методов лазерной литографии и химического травления боковые грани магнитных нанопроволок шероховаты, что приводит к увеличению величины коэрцитивной силы.A known method for producing epitaxial Fe nanowires 300 nm wide by laser interference lithography and chemical etching [5]. For this, a Fe film 20 nm thick is formed with a Cu buffer layer 150 nm thick by electron beam deposition. Then, a positive photoresist (PR: MEGAPOSIT SPR 510-A positive) is applied to the surface of the epitaxial film Cu (3 HM) / Fe (20 nm) / Cu (150 nm). The surface of the sample is irradiated by laser interference lithography with a laser radiation wavelength of X = 325 nm. Then the Fe layer is etched in a HNO 3 solution; acetone is used to remove the photoresist. This method allows to produce an array of ordered epitaxial Fe nanowires oriented in the plane of the substrate. The disadvantage of this method is that as a result of the use of laser lithography and chemical etching, the side faces of the magnetic nanowires are rough, which leads to an increase in the coercive force.
Известен способ получения нанопроволок металлов на твердых подложках на основе использования литографической полимерной маски [6]. Данным методом были приготовлены поликристаллические проволоки Ni на поверхности SiO2 с минимальной шириной 60 нм, толщиной от 6 до 20 нм и длиной до 20 мкм. Данным методом невозможно вырастить монокристаллические нанопроволоки металлов с низким содержанием дефектов по сравнению с поликристаллическими наноматериалами.A known method of producing nanowires of metals on solid substrates based on the use of lithographic polymer masks [6]. This method was used to prepare polycrystalline Ni wires on the surface of SiO 2 with a minimum width of 60 nm, a thickness of 6 to 20 nm, and a length of up to 20 μm. Using this method, it is impossible to grow single-crystal nanowires of metals with a low content of defects in comparison with polycrystalline nanomaterials.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в статьях, выбранных за прототип по существенным признакам и достигаемому результату [7, 8]. Сущность работ состоит в исследовании структуры и магнитных свойств массива кобальтовых нанопроволок на оксидированной вицинальной поверхности Si(111). Массив кобальтовых нанопроволок шириной (25, 70) нм и толщиной (3, 1.2) нм изготавливают, осаждая кобальт под углом наклона (3°, 2.5°) к плоскости подложки на ступенчатую поверхность оксидированного Si(111) при комнатной температуре. Период и ширина террас ступеней на поверхности Si(111) составляет 110 нм и 85 нм соответственно. Перед осаждением кобальта ступенчатую поверхность Si(111) оксидируют в атмосфере кислорода при температуре 830°C в течение 15 ч; толщина окисла составляет 110 нм. Сформированные нанопроволоки кобальта являются поликристаллическими.Closest to the claimed technical solution is the method described in the articles selected for the prototype according to the essential features and the achieved result [7, 8]. The essence of the work is to study the structure and magnetic properties of an array of cobalt nanowires on the oxidized vicinal surface of Si (111). An array of cobalt nanowires with a width of (25, 70) nm and a thickness of (3, 1.2) nm is made by depositing cobalt at an angle of inclination (3 °, 2.5 °) to the substrate plane on the stepped surface of oxidized Si (111) at room temperature. The period and width of the step terraces on the Si (111) surface are 110 nm and 85 nm, respectively. Before cobalt precipitation, the stepped Si (111) surface is oxidized in an oxygen atmosphere at a temperature of 830 ° C for 15 hours; the oxide thickness is 110 nm. The cobalt nanowires formed are polycrystalline.
Недостатками данного способа является то, что структура получаемых кобальтовых нанопроволок является поликристаллической с большим содержанием дефектов и межзеренных границ в отличие от монокристаллических проволок. Высота ступеней, получаемых данным способом на вицинальной поверхности Si, менее 3 нм, что ограничивает толщину нанопроволок до 3 нм. Малая толщина нанопроволок приводит к тому, что нанопроволоки могут быть структурно несплошными и могут содержать разрывы, что существенно ограничивает их практическое использование.The disadvantages of this method is that the structure of the obtained cobalt nanowires is polycrystalline with a high content of defects and grain boundaries, in contrast to single crystal wires. The height of the steps obtained by this method on the vicinal surface of Si is less than 3 nm, which limits the thickness of the nanowires to 3 nm. The small thickness of the nanowires leads to the fact that the nanowires can be structurally discontinuous and can contain gaps, which significantly limits their practical use.
Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, является разработка эффективной технологии формирования массива упорядоченных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок с заданной геометрией на ступенчатой поверхности силицида меди Cu2Si с буферным слоем меди.The problem to which the claimed method is directed is to develop an effective technology for forming an array of ordered ferromagnetic epitaxial nanowires with a given geometry on a stepped surface of copper silicide Cu 2 Si with a buffer layer of copper.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения - формирование высококачественных упорядоченных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок с заданными геометрическими параметрами и с совершенным кристаллическим качеством на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is the formation of high-quality ordered ferromagnetic epitaxial nanowires with specified geometric parameters and with perfect crystalline quality on a stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper.
Поставленная задача решается способом формирования массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок, включающим формирование в условиях сверхвысокого вакуума упорядоченной ступенчатой структуры силицида меди Cu2Si на предварительно подготовленной поверхности вицинального кремния Si(111), последующее нанесение буферного слоя Cu толщиной 2 нм и осаждение ферромагнитного металла (ФМ) - кобальта, никеля, железа или сплава пермаллоя (Co80Ni20, CoNiFe) под малыми углами наклона от 10° до 30° к плоскости ступенчатой подложки со скоростью осаждения ФМ 0,3 нм/мин.The problem is solved by the method of forming an array of ordered ferromagnetic nanowires, including the formation of an ordered step structure of copper silicide Cu 2 Si under ultrahigh vacuum conditions on a previously prepared surface of vicinal silicon Si (111), the subsequent deposition of a buffer layer of Cu with a thickness of 2 nm and the deposition of a ferromagnetic metal (FM) - cobalt, nickel, iron or a permalloy alloy (Co80Ni20, CoNiFe) at small tilt angles from 10 ° to 30 ° to the plane of the stepped substrate with a deposition rate of FM 0.3 m / min.
При осаждении ФМ под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с нанесенным буферным слоем меди формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 35±2 нм с совершенным кристаллическим качеством.When FM is deposited at an angle of 10 ° to the plane of the stepped surface of the substrate with a deposited buffer layer of copper, an ordered array of smooth ferromagnetic epitaxial nanowires with a width of 35 ± 2 nm with perfect crystal quality is formed.
Если этот угол наклона составляет 20° при всех одинаковых прочих технологических параметрах, то формируют упорядоченный массив ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 45±2 нм с совершенным кристаллическим качеством, а при его значении, равном 30°, ширина сформированного упорядоченного массива нанопроволок, также имеющих совершенное кристаллическое качество, составляет 65±2 нм.If this angle of inclination is 20 ° with all other technological parameters being the same, then an ordered array of ferromagnetic epitaxial nanowires with a width of 45 ± 2 nm with perfect crystalline quality is formed, and with its value equal to 30 °, the width of the formed ordered array of nanowires also having perfect crystalline quality is 65 ± 2 nm.
При этом опытным путем установлено, что от угла наклона при осаждении ФМ зависит не только ширина упорядоченного массива нанопроволок, но и их качество, если осаждать ФМ под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди толщиной 2 нм, то формируют неупорядоченный массив шероховатых, извилистых и структурно несплошных нанопроволок шириной 10±2 нм. Увеличив угол наклона до значений, больших 30°, при осаждении ФМ на ступенчатую поверхность Cu2Si с нанесенным буферным слоем меди толщиной 2 нм формируют неупорядоченные и местами сросшиеся между собой эпитаксиальные нанопроволоки.It was experimentally established that not only the width of the ordered array of nanowires depends on the angle of inclination during the deposition of FM, but also their quality, if the FM is deposited at an angle of 5 ° to the plane of the stepped surface of the substrate with a 2 nm thick copper buffer layer, disordered an array of rough, sinuous, and structurally discontinuous nanowires 10 ± 2 nm wide. Increasing the angle of inclination to values greater than 30 °, when the PM is deposited on a stepped surface of Cu 2 Si with a deposited buffer layer of
Экспериментальным путем авторами заявляемого изобретения было установлено, что при одинаковых технологических параметрах (вакуумные условия, скорость осаждения материалов, углы осаждения к поверхности ступенчатой структуры подложки, толщины покрытия материалов), но без нанесения слоя медного буфера на ступенчатой поверхности Cu2Si формируются ровные металлические нанопроволоки худшего кристаллического качества - структура таких нанопроволок блочная с упругими напряжениями из-за большой разницы в несоответствии параметров решетки между подложкой и ФМ.Experimentally, the authors of the claimed invention found that with the same technological parameters (vacuum conditions, deposition rate of materials, deposition angles to the surface of the stepped structure of the substrate, coating thickness of the materials), but without applying a layer of copper buffer on the stepped surface of Cu 2 Si, smooth metal nanowires are formed the worst crystalline quality - the structure of such nanowires is block with elastic stresses due to the large difference in the mismatch of the lattice parameters ezhdu substrate and FM.
Для уменьшения несоответствия параметров решетки между подложкой и ФМ в качестве буферного слоя можно использовать медь, что позволяет получать структурно совершенные эпитаксиальные нанопроволки ФМ на Cu, а крайне низкая взаимная растворимость компонентов системы дает возможность реализовать резкую межфазную границу ФМ/Cu.To reduce the mismatch of the lattice parameters between the substrate and the FM, copper can be used as a buffer layer, which allows one to obtain structurally perfect epitaxial FM nanowires on Cu, and the extremely low mutual solubility of the system components makes it possible to realize a sharp FM / Cu interface.
Таким образом, экспериментальным путем установлено, что для улучшения кристаллической структуры получаемых эпитаксиальных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si необходимо предварительно сформировать прослойку - слой медного буфера; при этом оптимальными величинами угла наклона при осаждении ФМ в процессе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди являются значения, лежащие в интервале 10°÷30°.Thus, it was experimentally established that in order to improve the crystal structure of the obtained epitaxial ferromagnetic nanowires on a stepped surface of Cu 2 Si, it is necessary to form a layer in advance — a layer of copper buffer; in this case, the optimal values of the angle of inclination during the deposition of FM during the formation of an array of ferromagnetic nanowires on the stepped surface of semiconductor substrates with a buffer layer of copper are values lying in the range 10 ° ÷ 30 °.
Отличительный признак заявляемого способа формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si:A distinctive feature of the proposed method of forming an array of ferromagnetic nanowires on a stepped surface of Cu 2 Si:
- формируют упорядоченный массив ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди, характеризующихся совершенным кристаллическим качеством, осаждая ФМ под малыми углами наклона в интервале 10°÷30° к плоскости подложки при толщине буферного слоя, равной 2 нм.- form an ordered array of ferromagnetic nanowires on the stepped surface of semiconductor substrates with a buffer layer of copper, characterized by perfect crystalline quality, precipitating FMs at small tilt angles in the range of 10 ° to 30 ° to the plane of the substrate with a buffer layer thickness of 2 nm.
Фигуры (1-5) иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с описанием служат для объяснения принципов предлагаемого изобретения:Figures (1-5) illustrate embodiments of the invention and together with the description serve to explain the principles of the invention:
- на фиг. 1 приведены схемы, на которых показана геометрия расположения подложки относительно источника осаждаемых ФМ в заявляемом способе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем Cu: (а) - формирование ступенчатой поверхности Cu2Si на Si(111); (б) - последующее осаждение Cu на ступенчатую поверхность Cu2Si под прямым углом; (в) - осаждение ФМ на ступенчатую поверхность Cu2Si с буферным слоем Cu под выбранным углом наклона;- in FIG. 1 shows diagrams showing the geometry of the substrate relative to the source of deposited PM in the present method of forming an array of ferromagnetic nanowires on a stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of Cu: (a) the formation of a stepped surface of Cu 2 Si on Si (111); (b) - subsequent deposition of Cu on the stepped surface of Cu 2 Si at right angles; (c) - deposition of FM on a stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of Cu at a selected angle of inclination;
- на фиг. 2 приведены результаты исследования поверхности подложки с ферромагнитными нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ); (б) - изображение, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ);- in FIG. Figure 2 shows the results of studying the surface of a substrate with ferromagnetic nanowires formed by deposition of Cu at an angle of 5 ° to the plane of the stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper: (a) image obtained by fast electron diffraction (RHEED); (b) an image obtained by scanning electron microscopy (SEM);
- на фиг. 3 приведены результаты исследования поверхности подложки с ферромагнитными нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ;- in FIG. Figure 3 shows the results of studying the surface of a substrate with ferromagnetic nanowires formed by deposition of Cu at an angle of 10 ° to the plane of the stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper: (a) image obtained by the RHEED method; (b) - SEM image;
- на фиг. 4 приведены результаты исследования поверхности подложки с металлическими нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ;- in FIG. Figure 4 shows the results of studying the surface of a substrate with metal nanowires formed by deposition of Cu at an angle of 20 ° to the plane of the stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper: (a) image obtained by the RHEED method; (b) - SEM image;
- на фиг. 5 приведены результаты исследования поверхности подложки с металлическими нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ.- in FIG. Figure 5 shows the results of studying the surface of a substrate with metal nanowires formed by deposition of Cu at an angle of 30 ° to the plane of the stepped surface of Cu 2 Si with a buffer layer of copper: (a) image obtained by the RHEED method; (b) - image obtained by SEM.
Заявляемый способ формирования массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности с буферным слоем реализуется в три этапа. Схематично они показаны на фиг. 1: (а) - получение ступенчатой поверхности Cu2Si на поверхности Si(111); (б) - формирование буферного слоя Cu толщиной 2 нм на ступенчатой поверхности Cu2Si, (в) - формирование массива упорядоченных металлических нанопроволок методом осаждения ФМ под выбранным углом наклона к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.The inventive method of forming an array of ordered ferromagnetic nanowires on a stepped surface with a buffer layer is implemented in three stages. They are shown schematically in FIG. 1: (a) - obtaining a stepped surface of Cu 2 Si on the surface of Si (111); (b) the formation of a 2-nm-thick Cu buffer layer on a step surface of Cu 2 Si, (c) the formation of an array of ordered metal nanowires by the deposition of FMs at a selected angle of inclination to the plane of the step surface of Cu 2 Si with a copper buffer layer.
На первом этапе осуществления заявляемого способа подготавливают ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Формирование идеально ровных ступеней высотой 12±2 нм и шириной 150±50 нм осуществляют по методике, описанной авторами заявляемого изобретения в патенте №2593633 (заявка №2015118114 от 14.05.2015 на изобретение «Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек».At the first stage of the implementation of the proposed method, a stepwise surface structure of Cu 2 Si is prepared. The formation of perfectly smooth steps with a height of 12 ± 2 nm and a width of 150 ± 50 nm is carried out according to the method described by the authors of the claimed invention in patent No. 2593633 (application No. 2015118114 of 05/14/2015 for the invention "Method for the formation of ordered structures on the surface of semiconductor substrates".
На втором этапе формируют буферный слой меди толщиной 2 нм на ступенчатой поверхности Cu2Si.At the second stage, a buffer layer of
На третьем этапе под малым углом наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости подложки на ступенчатую поверхность буферного слоя Cu осаждают ФМ.In the third stage, FM is deposited at a small angle of inclination in the interval (10 ° ÷ 30 °) to the substrate plane on the stepped surface of the Cu buffer layer.
Экспериментальным путем установлено, что оптимальными величинами угла наклона при осаждении ФМ в процессе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди являются значения, лежащие в интервале (10°÷30°). При этом, формируя нанопроволоки из ФМ осаждением металла на буферный слой меди, нанесенный на ступенчатую поверхность подложки Cu2Si под углом наклона к плоскости подложки 10°, формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксальных нанопроволок шириной 35±2 нм под углом наклона 20° - шириной 45±2 нм, а при угле наклона 30° формируют нанопроволоки шириной 65±2 нм. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Примеры 2, 3, 4 (осаждаемый металл - кобальт) свидетельствуют о том, что рост эпитаксиальных нанопроволок Со происходит строго вдоль края ступеней Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.It was established experimentally that the optimal values of the angle of inclination during the deposition of FMs during the formation of an array of ferromagnetic nanowires on the stepped surface of semiconductor substrates with a buffer layer of copper are values lying in the range (10 ° ÷ 30 °). At the same time, by forming FM nanowires by deposition of metal on a copper buffer layer deposited on a stepped surface of a Cu 2 Si substrate at an angle of inclination to the substrate plane of 10 °, an ordered array of flat ferromagnetic epitaxial nanowires with a width of 35 ± 2 nm at an angle of inclination of 20 ° - width 45 ± 2 nm, and at an inclination angle of 30 °, nanowires with a width of 65 ± 2 nm are formed. The period of the arrangement of nanowires repeats the step structure of the surface of Cu 2 Si. Examples 2, 3, 4 (the deposited metal is cobalt) indicate that the growth of Co epitaxial nanowires occurs strictly along the edge of the Cu 2 Si steps and coincides with the crystallographic direction of the Si (111) substrate of type <110>.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed method with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."
При этом отличительные признаки заявляемого способа формирования упорядоченных структур на ступенчатой поверхности с буферным слоем, в совокупности с известными существенными признаками обеспечивают заявляемому техническому решению новое техническое свойство, заключающееся в возможности формировать посредством самоорганизации массивы ровных эпитаксиальных нанопроволок с совершенным кристаллическим качеством и заданными геометрическими размерами, изменяя угол осаждения ферромагнитного металла к плоскости поверхности подложки с нанесенным буферным слоем меди. Упорядоченный массив ровных эпитаксиальных ферромагнитных нанопроволок, получаемых заявляемым способом, имеет толщину 12±2 нм и протяженность 3 мм, что соответствует высоте ступеней и ширине подложки Cu/Cu2Si/Si(111).At the same time, the distinguishing features of the proposed method for the formation of ordered structures on a stepped surface with a buffer layer, together with the known essential features, provide the claimed technical solution with a new technical property, which consists in the possibility of forming by means of self-organization arrays of smooth epitaxial nanowires with perfect crystalline quality and given geometric dimensions, changing the angle of deposition of the ferromagnetic metal to the plane of the surface of the substrate coated with a buffer layer of copper. An ordered array of smooth epitaxial ferromagnetic nanowires obtained by the claimed method has a thickness of 12 ± 2 nm and a length of 3 mm, which corresponds to the height of the steps and the width of the substrate Cu / Cu 2 Si / Si (111).
Для анализа структуры образцов использовали метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Данный метод показывает, что кристаллическая структура формируемых нанопроволок из ФМ совершенна - об этом можно судить по наличию строго упорядоченных точечных рефлексов на просвет от нанопроволок на дифракционных картинах. Из-за четкой огранки эпитаксиальных нанопроволок, формируемых в интервале углов осаждения (10°÷30°), возле объемных рефлексов появляются линии, обусловленные рассеянием на гранях. Теоретический расчет упругих напряжений по картинам ДБЭ показывает их отсутствие, а параметр решетки соответствует объемному табличному значению.To analyze the structure of the samples, the fast electron diffraction (RHEED) method was used. This method shows that the crystal structure of the formed FM nanowires is perfect - this can be judged by the presence of strictly ordered point reflections to the light from the nanowires in the diffraction patterns. Due to the precise faceting of epitaxial nanowires formed in the range of deposition angles (10 ° ÷ 30 °), lines appear due to scattering on the faces near the volume reflections. The theoretical calculation of elastic stresses from the RHEED patterns shows their absence, and the lattice parameter corresponds to the volumetric tabular value.
Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают, что заявляемый способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с использованием буферного слоя меди позволяет:Thus, the obtained experimental data confirm that the inventive method of forming an array of ferromagnetic nanowires on the stepped surface of semiconductor substrates using a buffer layer of copper allows:
- формировать высококачественные массивы упорядоченных ферромагнитных нанопроволок;- to form high-quality arrays of ordered ferromagnetic nanowires;
- контролировать ширину и кристаллические качества нанопроволок, ориентированных вдоль направления типа <110> Si в зависимости от заданных технологических параметров.- control the width and crystalline properties of nanowires oriented along the <110> Si type direction, depending on the specified technological parameters.
В процессе осаждения меди и ФМ качество покрытий контролируют методом дифракции быстрых электронов. Морфологию и геометрические параметры нанопроволок (ширина, высота и протяженность) определяют с помощью методов сканирующей электронной микроскопии в условиях высокого вакуума и атомной силовой микроскопии (АСМ) на воздухе.In the process of deposition of copper and FM, the quality of the coatings is controlled by the method of diffraction of fast electrons. The morphology and geometrical parameters of nanowires (width, height and length) are determined using scanning electron microscopy in high vacuum and atomic force microscopy (AFM) in air.
Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.The examples below confirm, but do not limit, the invention.
Пример 1. Формирование неупорядоченного массива шероховатых извилистых нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).Example 1. The formation of a disordered array of rough sinuous nanowires during the deposition of Co at an angle of inclination of 5 ° to the plane of the stepped surface of the substrate Cu / Cu 2 Si / Si (111).
На первом этапе формируют ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Формирование идеально ровных ступеней высотой 12±2 нм и шириной 150±50 нм осуществлялют по методике, разработанной авторами заявляемого изобретения и описанной в патенте на изобретение «Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек» №2593633 (заявка 2015118114 от 14.05.2015 г.).At the first stage, a stepped structure of the surface of Cu 2 Si is formed. The formation of perfectly smooth steps with a height of 12 ± 2 nm and a width of 150 ± 50 nm is carried out according to the method developed by the authors of the claimed invention and described in the patent for the invention "Method for the formation of ordered structures on the surface of semiconductor substrates" No. 2593633 (application 2015118114 from 05/14/2015. )
На втором этапе формируют слой буфера меди толщиной 2 нм. Осаждение меди осуществляют методом молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоковакуумной камере фирмы «Омикрон», в процессе напыления давление не превышает 5×10-10 Торр. Медь испаряют из коммерческих эффузионных ячеек при скорости осаждения Cu, равной 1 нм/мин. Толщину покрытий контролируют кварцевым измерителем толщин фирмы «Омикрон»; калибровку кварцевого датчика осуществляют посредством методов ДБЭ и СТМ. Структуру сформированных слоев меди исследуют в вакууме методом ДБЭ с энергией электронного пучка 15 кЭв и СТМ (напряжение ±2.0 В, туннельный ток 1 нА) производства фирмы «Омикрон».In a second step, a 2 nm thick copper buffer layer is formed. Copper deposition is carried out by molecular beam epitaxy in an ultra-vacuum chamber of the Omicron company, during the deposition process the pressure does not exceed 5 × 10 -10 Torr. Copper is evaporated from commercial effusion cells at a Cu deposition rate of 1 nm / min. The thickness of the coatings is controlled by a quartz thickness meter manufactured by Omicron; The quartz sensor is calibrated using the RHEED and STM methods. The structure of the formed copper layers is investigated in vacuum by the RHEED method with an electron beam energy of 15 kev and STM (voltage ± 2.0 V, tunnel current 1 nA) manufactured by Omicron.
Анализ картин ДБЭ показывает (фиг. 2а), что поверхность медного буфера толщиной 2 нм имеет не деформированную ГЦК решетку и ориентируется плоскостью (111) на модифицированной поверхности Cu2Si: Cu(111)||Si(111) и<110>Cu||<112>Si. Исследования СТМ показывают, что медный буфер повторяет ступенчатый рельеф модифицированной поверхности Cu2Si.An analysis of the RHEED patterns shows (Fig. 2a) that the surface of a 2 nm thick copper buffer has an undeformed fcc lattice and is oriented by the (111) plane on the modified surface of Cu 2 Si: Cu (111) || Si (111) and <110> Cu || <112> Si. STM studies show that the copper buffer repeats the stepped relief of the modified surface of Cu 2 Si.
На третьем этапе осаждают Со из эффузионной ячейки со скоростью осаждения 0,3 нм/мин методом молекулярно-лучевой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума (5×10-10 Торр). В результате осаждения Со под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди толщиной 2 нм формируют неупорядоченный массив извилистых шероховатых нанопроволок шириной 10±2 нм при толщине покрытия Со 20 нм. На фиг. 2а показано изображение, полученное методом ДБЭ от Со нанопроволок. После формирования эпитаксиальных нанопроволок на картинах дифракции помимо стержней обратной решетки от плоских участков медного буфера, наблюдаются точечные рефлексы на просвет от нанопроволок кобальта; повторяемость дифракционной картины наблюдается через 180 градусов. Расшифровка дифракционной картины от Со нанопроволок показывает, что Со имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку и ориентируется плоскостью (-12-10):(-12-10)[0001]Со||(111)<110>Si).In the third stage, Co is deposited from the effusion cell with a deposition rate of 0.3 nm / min by molecular beam epitaxy under ultrahigh vacuum (5 × 10 -10 Torr). As a result of Co deposition at an angle of 5 ° to the plane of the stepped surface of the substrate with a 2 nm thick copper buffer layer, an unordered array of meandering rough nanowires 10 ± 2 nm wide with a Co coating thickness of 20 nm is formed. In FIG. 2a shows an image obtained by the RHEED method from Co nanowires. After the formation of epitaxial nanowires in the diffraction patterns, in addition to the reciprocal lattice rods from the flat sections of the copper buffer, point reflections to the lumen from cobalt nanowires are observed; the repeatability of the diffraction pattern is observed after 180 degrees. Decoding the diffraction pattern from Co nanowires shows that Co has a hexagonal close-packed (hcp) lattice and is oriented by the (-12-10) plane: (-12-10) [0001] Co || (111) <110> Si).
Таким образом, кристаллографическая ось [0001] в ГПУ решетке Со ориентирована вдоль длинной стороны нанопроволок, которые лежат на поверхности террасы слоя медного буфера боковой гранью.Thus, the crystallographic axis [0001] in the hcp Co lattice is oriented along the long side of the nanowires that lie on the terrace surface of the copper buffer layer with a side face.
На фиг. 2б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Нанопроволоки образованы из сросшихся между собой плоских островков кобальта. Боковые грани нанопроволок шероховаты. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается вдоль направления ступеней и преимущественно совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.In FIG. 2b shows an SEM image of a surface containing Co epitaxial nanowires. The period of the arrangement of nanowires repeats the step structure of the surface of Cu 2 Si. Nanowires are formed from coalesced flat islands of cobalt. The lateral faces of the nanowires are rough. The growth of Co epitaxial nanowires is observed along the direction of steps and predominantly coincides with the crystallographic direction of the <110> type Si (111) substrate.
Пример 2. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).Example 2. The formation of an ordered array of epitaxial nanowires during the deposition of Co at an angle of inclination of 10 ° to the plane of the stepped surface of the substrate Cu / Cu 2 Si / Si (111).
Пример 2 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки буферного слоя меди. При этом формируют упорядоченный массив ровных феромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 35±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия кобальта 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и Со нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются - сформированные эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку (пример 2).Example 2 is carried out according to example 1, but Co is deposited at an angle of inclination of 10 ° to the plane of the stepped surface of the substrate of the buffer layer of copper. An ordered array of even pheromagnetic epitaxial nanowires with a width of 35 ± 2 nm with perfect crystalline quality is formed with a cobalt coating thickness of 20 nm. The crystal structure of the layer of copper buffer and Co nanowires is the same as described in example 1, but the morphology of the surface and the geometric parameters of epitaxial nanowires are different - the formed epitaxial nanowires are smooth and have an ideal faceting (example 2).
Вытянутые рефлексы от нанопроволок кобальта на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок (фиг 3а). На фиг. 3б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со происходит строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.Elongated reflexes from cobalt nanowires in the diffraction pattern indicate a flat surface of the top of the nanowires (Fig. 3a). In FIG. 3b shows an SEM image of a surface containing Co epitaxial nanowires. The period of the arrangement of nanowires repeats the stepped structure of the surface of Cu 2 Si with a buffer layer. The growth of Co epitaxial nanowires occurs strictly along the edge of the Cu / Cu 2 Si steps and coincides with the crystallographic direction of the <110> type Si (111) substrate.
Пример 3. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).Example 3. The formation of an ordered array of epitaxial nanowires during the deposition of Co at an angle of 20 ° to the plane of the stepped surface of the substrate Cu / Cu 2 Si / Si (111).
Пример 3 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди. В результате формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 45±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия кобальта 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и сформированных нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются. - сформированные по примеру 3 эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку.Example 3 is carried out according to example 1, but Co is deposited at an angle of inclination of 20 ° to the plane of the stepped surface of the substrate with a buffer layer of copper. As a result, an ordered array of even ferromagnetic epitaxial nanowires with a width of 45 ± 2 nm is formed with perfect crystalline quality with a cobalt coating thickness of 20 nm. The crystal structure of the layer of copper buffer and formed nanowires is the same as described in example 1, but the surface morphology and geometric parameters of epitaxial nanowires are different. - the epitaxial nanowires formed in Example 3 are even and have perfect faceting.
Вытянутые рефлексы от Со нанопроволок на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок (фиг 4а). На фиг. 4б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки кобальта; период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с медным буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.Elongated reflections from Co nanowires in the diffraction pattern indicate a flat surface of the top of the nanowires (Fig. 4a). In FIG. 4b shows an SEM image of a surface containing cobalt epitaxial nanowires; the period of the arrangement of nanowires repeats the step structure of the surface of Cu 2 Si with a copper buffer layer. The growth of Co epitaxial nanowires is observed strictly along the edge of the Cu / Cu 2 Si steps and coincides with the crystallographic direction of the Si (111) substrate of type <110>.
Пример 4. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).Example 4. The formation of an ordered array of epitaxial nanowires during the deposition of Co at an angle of inclination of 30 ° to the plane of the stepped surface of the substrate Cu / Cu 2 Si / Si (111).
Пример 4 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности подложки буферного слоя меди.Example 4 is carried out according to example 1, but Co is precipitated at an angle of inclination of 30 ° to the plane of the stepped surface of the substrate of the buffer layer of copper.
При этом формируют упорядоченный массив ровных металлических эпитаксиальных нанопроволок шириной 65±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия Со 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и Со нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются - сформированные эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку. Вытянутые рефлексы от нанопроволок кобальта на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок, фиг 5а. На фиг. 5б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.In this case, an ordered array of smooth metallic epitaxial nanowires with a width of 65 ± 2 nm with a perfect crystalline quality with a Co coating thickness of 20 nm is formed. The crystal structure of the layer of copper buffer and Co nanowires is the same as described in example 1, but the morphology of the surface and geometric parameters of epitaxial nanowires are different - the formed epitaxial nanowires are smooth and have an ideal faceting. Elongated reflections from cobalt nanowires in the diffraction pattern indicate a flat surface of the top of the nanowires, Fig. 5a. In FIG. 5b shows an SEM image of a surface containing Co epitaxial nanowires. The period of the arrangement of nanowires repeats the stepped structure of the surface of Cu 2 Si with a buffer layer. The growth of Co epitaxial nanowires is observed strictly along the edge of the Cu / Cu 2 Si steps and coincides with the crystallographic direction of the Si (111) substrate of type <110>.
Таким образом, экспериментальным путем доказана возможность формирования и самоорганизации массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с медным буферным слоем посредством осаждения ферромагнитных металлов под углами наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости подложки. Разработанный способ формирования массива эпитаксиальных нанопроволок требуемых размеров на ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111) является перспективным при создании ферромагнитных наноструктур для новых типов датчиков, например, датчиков, чувствительных к абсорбции газов или бактерий с эффектом магнитосопротивления, а также для получения перспективных наноматериалов с контролируемой наведенной магнитной анизотропией для нужд магнитоэлектроники и спинтроники.Thus, it has been experimentally proven that it is possible to form and self-organize an array of ordered ferromagnetic nanowires on a stepped surface of Cu 2 Si with a copper buffer layer by deposition of ferromagnetic metals at angles of inclination in the range (10 ° ÷ 30 °) to the substrate plane. The developed method for forming an array of epitaxial nanowires of the required size on a stepped surface of a Cu / Cu 2 Si / Si (111) substrate is promising when creating ferromagnetic nanostructures for new types of sensors, for example, sensors sensitive to absorption of gases or bacteria with the effect of magnetoresistance, as well as for obtaining promising nanomaterials with controlled induced magnetic anisotropy for the needs of magnetoelectronics and spintronics.
Литература:Literature:
1. F. Nasirpouri. New Developments in Electrodeposition and Pitting Research. A. El Nemr, Ed. India: Research Signpost Publication (2007), 55-92.1. F. Nasirpouri. New Developments in Electrodeposition and Pitting Research. A. El Nemr, Ed. India: Research Signpost Publication (2007), 55-92.
2. A.E. Grigorescu, C.W. Hagen. Resists for sub-20-nm electron beam lithography with a focus on HSQ: State of the art // Nanotechnology 20, 29 (2009), 292001.2. A.E. Grigorescu, C.W. Hagen. Resists for sub-20-nm electron beam lithography with a focus on HSQ: State of the art // Nanotechnology 20, 29 (2009), 292001.
3. К.C. Ермаков, Ю.П. Иванов, Л.А. Чеботкевич. Влияние морфологии поверхности монокристаллических подложек Si(111) на магнитные свойства эпитаксиальных пленок Со // ФТТ 52, 12 (2010) 2392-2396.3. K.C. Ermakov, Yu.P. Ivanov, L.A. Chebotkevich. The effect of the surface morphology of single-crystal Si (111) substrates on the magnetic properties of Co epitaxial films // FTT 52, 12 (2010) 2392-2396.
4. S. Lianga, R. Islam, David J. Smith, P.A. Bennett, J.R. O'Brien, B. Taylor. Magnetic iron silicide nanowires on Si(110) // J. Appl. Phys. 88 (2006), 113111.4. S. Lianga, R. Islam, David J. Smith, P.A. Bennett, J.R. O'Brien, B. Taylor. Magnetic iron silicide nanowires on Si (110) // J. Appl. Phys. 88 (2006), 113,111.
5. H.M. Hwang, a J.H. Kang, a J. Lee, a, z J.-Y. Choi, b and H.H. Leeb. Fabrication and Magnetic Anisotropy of the Epitaxial Fe Nanowires/Cu(001)/Si(001) // Electrochemical and Solid-State Letters 11 (2008), K7-K9.5. H.M. Hwang, a J.H. Kang, a J. Lee, a, z J.-Y. Choi, b and H.H. Leeb. Fabrication and Magnetic Anisotropy of the Epitaxial Fe Nanowires / Cu (001) / Si (001) // Electrochemical and Solid-State Letters 11 (2008), K7-K9.
6. Д.А. Бизяев, A.A. Бухараев, Д.В. Лебедев, Н.И. Нургазизов, Т.Ф. Ханипов. Наночастицы и нанопроволоки никеля, полученные с помощью сканирующей зондовой литографии методом точечного индентирования // Письма в ЖТФ, 38, 14 (2012) 8-15.6. D.A. Bizyaev, A.A. Bukharaev, D.V. Lebedev, N.I. Nurgazizov, T.F. Khanipov. Nickel nanoparticles and nanowires obtained by scanning probe lithography by spot indentation method // Letters in ZhTF, 38, 14 (2012) 8-15.
7. S.K. Arora, В.J. O'Dowd, С. Nistor, Т. Balashov, В. Ballesteros, A. Lodi Rizzini, J.J. Kavich, S.S. Dhesi, P. Gambardella and I.V. Shvets. Structural and magnetic properties of planar nanowire arrays of Co grown on oxidized vicinal silicon (111) templates // J. Appl. Phys. 111 (2012), 07E342-1 - 07E342-3.7. S.K. Arora, B.J. O'Dowd, C. Nistor, T. Balashov, B. Ballesteros, A. Lodi Rizzini, J.J. Kavich, S.S. Dhesi, P. Gambardella and I.V. Shvets. Structural and magnetic properties of planar nanowire arrays of Co grown on oxidized vicinal silicon (111) templates // J. Appl. Phys. 111 (2012), 07E342-1 - 07E342-3.
8. S.K. Arora, B.J. O'Dowdl, B. Ballesteros, P. Gambardella and I.V. Shvets. Magnetic properties of planar nanowire arrays of Co fabricated on oxidized step-bunched silicon templates // Nanotechnology 23 (2012) 235702-1 - 235702-7.8. S.K. Arora, B.J. O'Dowdl, B. Ballesteros, P. Gambardella and I.V. Shvets. Magnetic properties of planar nanowire arrays of Co fabricated on oxidized step-bunched silicon templates // Nanotechnology 23 (2012) 235702-1 - 235702-7.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2624836C1 true RU2624836C1 (en) | 2017-07-07 |
Family
ID=59312599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (en) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2624836C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004263318A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | National Institute For Materials Science | Method for producing copper nanorod or nanowire |
| US20060291105A1 (en) * | 2005-06-28 | 2006-12-28 | Chang Y A | Fabrication of magnetic tunnel junctions with epitaxial and textured ferromagnetic layers |
| RU2359356C1 (en) * | 2007-11-26 | 2009-06-20 | Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates |
| RU2522844C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates |
-
2016
- 2016-08-11 RU RU2016133227A patent/RU2624836C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004263318A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | National Institute For Materials Science | Method for producing copper nanorod or nanowire |
| US20060291105A1 (en) * | 2005-06-28 | 2006-12-28 | Chang Y A | Fabrication of magnetic tunnel junctions with epitaxial and textured ferromagnetic layers |
| RU2359356C1 (en) * | 2007-11-26 | 2009-06-20 | Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН | Method for creation of conducting nanowires on surface of semiconductor substrates |
| RU2522844C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ермаков К.С.,Микалюк Е.А.,Трегубов Г.А.,Козлов А.Г.,Огнев А.В. Cамоорганизованный рост кластеров и нанопроволок Cu на Si (111), Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона-2012, Владивосток, 14-17 мая 2012. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7820064B2 (en) | Spinodally patterned nanostructures | |
| Lei et al. | Highly ordered nanostructures with tunable size, shape and properties: A new way to surface nano-patterning using ultra-thin alumina masks | |
| Thongmee et al. | Fabrication and magnetic properties of metal nanowires via AAO templates | |
| Fan et al. | Patterned growth of aligned ZnO nanowire arrays on sapphire and GaN layers | |
| Garcıa et al. | Magnetic behavior of an array of cobalt nanowires | |
| Jung et al. | Fabrication and controlled magnetic properties of Ni/ZnO nanorod heterostructures | |
| Hang et al. | Characterization of nickel nanocones routed by electrodeposition without any template | |
| Tang et al. | Controlled growth of ZnO nanoflowers on nanowall and nanorod networks via a hydrothermal method | |
| US20120142524A1 (en) | Nanocrater catalyst in metal nanoparticles and method for preparing the same | |
| US20040127130A1 (en) | Magnetic material-nanomaterial heterostructural nanorod | |
| KR20170008201A (en) | Undercoating for perpendicularly magnetized film, perpendicularly magnetized film structure, perpendicular mtj element, and perpendicular magnetic recording medium using same | |
| Pileni et al. | Self assemblies of nanocrystals: preparation, collective properties and uses | |
| Karim et al. | Magnetic behavior of arrays of nickel nanowires: Effect of microstructure and aspect ratio | |
| Rahm et al. | Pulsed-laser deposition and characterization of ZnO nanowires with regular lateral arrangement | |
| Kanchibotla et al. | Self assembly of nanostructures using nanoporous alumina templates | |
| RU2624836C1 (en) | Method for forming massive of ferromagnetic nanowires on stepped surface of semiconductor substances with buffer copper layer | |
| RU2628220C1 (en) | METHOD OF NANOWIRES ARRAY ON STEPPED SURFACE Cu2Si FORMATION | |
| JP2009536688A (en) | Method for producing member having multiple nanocylinders on substrate and use of the member | |
| RU2593633C1 (en) | Method of forming ordered structures on surface of semiconductor substrates | |
| Huang et al. | Rapid fabrication of nanoneedle arrays by ion sputtering | |
| RU2522844C1 (en) | Method of forming epitaxial copper nanostructures on surface of semiconductor substrates | |
| JP4621899B2 (en) | Magnetic media | |
| Shumskaya et al. | Electrodeposited ferromagnetic nanotubes: Structure and magnetic properties | |
| RU2465670C1 (en) | Method to form epitaxial films of cobalt on surface of semiconductor substrates | |
| Sugawara | Quasi-one-dimensional cobalt particle arrays embedded in 5 nm-wide gold nanowires |