16. Zondli Nanoelektronika. Skanlovchi zondli mikroskopiyaning umumiy tamoyillari. Skanlovchi tunnel mikroskopi (stm). Stmning tadqiqotlarda qo‘llanilishi

STM xarakteristikalari. Sirtga normal (tik) yo’nalish bo’ylab ajrata olish darajasi ni ( ga o’zgarganida tunnel toki bir darajaga o’zgaradi) tashkil qiladi. Sirtda ajrata olish darajasi zond uchi sifati bilan aniqlanadi hamda u titrashlar (vibratsiyalar) va akustik shovqinlarga bog’liq bo’ladi. Masalan volьframning [111] kristallografik yo’nalishi bo’yicha tayyorlangan zond uchi 1-3 ta atom bilan tugaydigan piramida shaklida bo’ladi. Agar zon uchida bitta atom bo’lsa STM alohida atomlarni «ko’rish» imkonini beruvchi sof atom ajrata olish darajasiga ega bo’ladi. Ko’plab ilmiy nashrlarga ko’ra atom darajasidagi ajrata olish unchalik ideal bo’lmagan sharoitlarda ham olingan. Nisbatan kengrok uchlar mikro uchqurliklarga ega bo’ladi va hech bo’lmaganda ulardan bittasi sirtga 0,1 nm gacha yaqinlashib qolsa barcha tunnel toki u orqali oqa boshlaydi va atom darajasidagi ajrata olish yuzaga keladi. SHuni qayd qilish kerakki haqiqiiy atom darajasidagi ajrata olish juda past haroratlarda va yuqori vakuum sharoitida yuzaga keladi. Oddiy sharoitlarda bir nanometr tartibidagi ajrata olishga erishish mumkin.
STMlar uchun zondlar o’tkazgich materialidan tayyorlanishi kerak. Odatda ular metallik bo’lib, uchining egrilik radiusi atrofida bo’ladi. Materialni tanlash qo’yilgan masala bilan aniqlanadi. Eng qattiq zondlar volьfram hamda iridiy va platina qorishmalaridan, yumshoq zonlar esa tilladan tayyorlanadi. Tipik zond 0 – ramda tasvirlangan.
Volframli zondlar elektrokimyoviy yemirish (travlenie) yo’li bilan olinadi. Boshqa usuli qotishmasidan tayyorlangan simni qaychi bilan burchak ostida qirqish va uzishga qaratilgan cho’zishni bir vaqtda amalga oshirish bo’lib hisoblanadi. Qirqish joyida simning plastik deformatsiyasi va cho’zuvchi kuchlanish ta’sirida esa uzilish vujudga keladi. Natijada kesilgan joyda juda ko’p bo’rtib chiqqan joylarga ega cho’zinchoq uch hocil bo’ladi va ulardan biri zondning ishchi elementi vazifasini o’taydi.
STMning kamchiliklari. STMlari yordamida faqat sirti elektr tokini o’tkazuvchi materiallarni, ya’ni metallarni, yarimo’tkazgichlar va o’ta o’tkazgichlarni o’rganish mumkin. Bundan tashqari STM aslida atomlarni emas balki namuna sirtidagi elektron holatlar zichligi taqsimotini qayd qiladi.
STMning ustunliklari. Hozirgi paytda yuqori ajratish darajasiga ega bo’lgan skanlovchi elektron mikroskoplar (SEM) atom darajasidagi ajratishni beradi. Ammo SEMlarda elektronlar energiyasi katta bo’lganligi uchun ular tadqiq qilinayotgan sirtda nuqsonlarni paydo qiladi. STMlarda esa tunnellashayotgan elektronlarning energiyalari bir necha elektron volьtlardan oshmaydi, ya’ni u kimyoviy bog’lanish energiyasidan ham kichkina va shu tufayli u sirtni buzmaydi. Bundan tashqari STMlarida tasvir buzilishlariga olib keluvchi linzalar mavjud emas.
Ishlash sharoitlari. 0,2 K dan tortib 1000 K haroratgacha ishlaydigan STMlar, o’ta yuqori darajadagi vakuumda va hatto havoda, suyuq va gazsimon muhitlarda ishlaydigan STMlar ham mavjud. STMning ish sharoiti qo’yilgan masalaga qarab tanlanadi.
STMlar quyidagi tadqiqotlarda ishlatilishi mumkin:
- yarimo’tkazgichlar sirtini tadqiq qilish;
- Yarimo’tkazgichli epitaksial qatlamlarni diagnostika qilish;
- yarimo’tkazgichli materiallar va tuzilmalarni tadqiq qilish;
STMlari asosidagi nanotexnologiya quyidagi amallarni bajarish imkonini beradi:
- atomlar va molekulalarni manipulyatsiya qilish (boshqarish);
- atomlarning gorizontal yo’nalish bo’yicha siljitish;
- atomlarning boshqa turdagi manipulyatsiyalari;
- STM asosidagi nanolitografiya;
- past volьtli elektron litografiya;
- lokal anod oksidlanishi;
- metall organik birikmalarni o’tqazish;
- zond uchidan massa tashish jarayoni.
Nanotexnologiya – yuqori texnologiyali soha, u atomlar va molekularni o‘rganishga asoslangan bo‘lib, meditsina, elektronika mashinasozlik va sun’iy intelekt yaratishda revolyusion muvaffaqiyatlarga olib kelmoqda. Ammo, yuqorida qayd qilganimizdek, mavjud elektron mikroskopiyaning nanoo‘lchamli strukturalarni, sirtni diagnostika qilish va o‘rganish bo‘yicha imkoniyatlari chegaralangan. Juda katta ijobiy taraflarga ega bo‘lishiga qaramay (masalan, istalgan vaqtda butun sirt bo‘yicha ma’lumotni olish) elektron mikroskopiya bir qator kamchiliklarga ega. Nisbatan yaxshi ajrata olish qobiliyatiga ega bo‘lishi uchun yuqori vakuum sharoiti zaruriyati, suyuq ob’ektlarni o‘rganish imkoniyati yo‘qligi, katta o‘lchamli namunalarni ko‘rish imkoniyati mavjud emasligi, atom darajasida ajrata olish qobiliyatiga erishish uchun sirtda kritik sharoit bo‘lishi (elektronlar energiyasi 360 keV ga yetadi) shular jumlasidandir. Shu sababli 1982 yilda Genrix Rorer va Gerd Binning tomonidan kashf etilgan skanlovchi tunnel mikroskopiyasi metodi shak- shubhasiz katta yutuq bo‘ldi. Bu kashfiyot skanlovchi zondli mikroskoplarning rivojlanish bosqichini boshlab berdi. Shvesariyaning Ryumlikondagi IBM laboratoriyasida yupqa dielektrik qatlamlarning o‘sishi va elektr xossalarini mikroskopik o‘rganar ekan, Genrix Rorer va Gerd Binning tunnel spektroskopiyasini qo‘llash haqida o‘ylar edilar. Bu davrga kelib, Yangning maydonli nurlanuvchi mikroskopi, Tomsonning vakuumda boshqariluvchi tig‘li tunnellanish bo‘yicha ilmiy ishlari ma’lum edi. Tunnellanish effekti yordamida sirtni nafaqat spektroskopik o‘lchash, balki uning relefini ham o‘rganish g‘oyasining ilgariga surilishi, ko‘p sonli tadqiqotchilarning mehnatlari samarasining mahsulidir. Bunday g‘oyani amalga oshirish uchun juda ko‘p sonli texnik muammolarni yechish talab qilingan: qanday qilib, tig‘ning sirt bilan to‘qnashishida yuzaga keladigan vibratsiyalardan xalos bo‘lish, namuna bilan tig‘ orasida qanday kuchlar ta’sirlashini bilish, tig‘ni juda katta aniqlikda siljitish muammosi, qanday qilib tig‘ bilan namunani bir-biriga tekkizish masalasi, issiqlik fluktuatsiyalaridan xalos bo‘lish muammosi, tig‘ shakli va uni hosil qilish va hakozo. Barchani ilgaridan qiziqtirib kelgan, 7x7 davrli kremniy sirtining atomar tasvirini Genrix Rorer va Gerd Binning tunnel mikroskopida olganlaridan keyin, 1986 yilda ular Nobel mukofotining sovrindorlariga aylanishdi. Aslida skanlovchi tunnel mikroskopning g‘oyasini tushunish unchalik qiyin emas. Nihoyatda yupqa volframli tig‘ - zond tayyorlanadi. U shunchalik yupqaki, uchi bir yoki bir necha atomdan tashkil topadi. Tig‘ elektr tokini o‘tkazadigan moddaning sirtiga deyarli zich qilib keltiriladi. Bunda tig‘ uchidagi atomning elektron buluti unga yaqin joylashgan sirt atomining elektron buluti bilan qoplana boshlaydi. Agar sirt bilan tig‘ orasiga uncha katta bo‘lmagan kuchlanish berilsa, tig‘ - sirt oralig‘ida amperning milliarddan bir ulushi tartibida sust tok yuzaga keladi. Bu tok tunnel toki deb ataladi. Tunnel toki zond bilan sirt orasidagi masofaga nihoyatda bog‘liq. Masalan agar bu masofa atom o‘lchamlari tartibida o‘zgarsa (taxminan, 2∙10^-8 sm) tok kuchi ming marotabaga o‘zgaradi. Agar tig‘ sirt bo‘yicha siljitilsa, tok kuchi keng ko‘lamda o‘zgaradi. Ya’ni zond sirt atomi ustidan o‘tayotganda tok kuchi ortadi, sirt atomlari orasidan o‘tayotganda esa juda kichik qiymatlargacha kamayadi. Shunday qilib, sirtning ko‘p nuqtalaridan olingan tunnel toki haqidagi ma’lumotlardan foydalanib, sirt topografiyasining tasvirini tuzish mumkin. Asosiy muammo zondni nazorat qilgan holda metrning milliarddan bir ulushi tartibidagi masofaga siljitish hisoblanadi. Bunga erishish uchun pezoelektrik manipulyatordan foydalaniladi. Ba’zi kristallar, masalan kvars va maxsus keramikalar elektr maydoni ta’sirida o‘z o‘lchamlarini osongina o‘zgartiradi. Bu hodisa pezoelektrik effekt deb ataladi. Elektr maydoni keramika sirtiga changitilgan yupqa metall plenkalar yordamida hosil qilinadi. Zondning (ignaning) namuna sirti bo‘yicha ko‘chishi skanlovchi qurilma yordamida amalga oshiriladi. Odatda u pezokeramikadan tayyorlangan trubka bo‘lib, trubka sirtiga o‘zaro ajratilgan uch juft elektrodlar surtilgan. Pezotrubkaga U_x va U_u kuchlanishlar berilganda, u qayriladi, bu bilan zondning namunaga nisbatan x va u o‘qlari bo‘yicha ko‘chishi ta’minlanadi. U_z kuchlanish ta’sirida esa qisiladi yoki cho‘ziladi, bu esa igna bilan namuna orasidagi masofani o‘zgartirishga imkon beradi. O‘lchanayotgan parametrga bog‘liq ravishda skanlovchi tunelli mikroskop (STM)ning ishlashi ikki maromda - tunnel toki yoki igna bilan sirt orasidagi masofa – bo‘lishi mumkin. Igna tig‘i o‘zgarmas balandlik maromida, igna namuna sirtida gorizontal tekislikda ko‘chadi, tunnel toki esa sirtgacha bo‘lgan masofaga bog‘liq ravishda o‘zgaradi (2 - rasm).
Bu holda ma’lumot signali bo‘lib namuna sirtida skanlashda har bir nuqtadan o‘lchangan tunnel tokining qiymati hisoblanadi. Olingan tunnel tokining qiymatlari bo‘yicha sirt topografiyasining ko‘rinishi tuziladi. Doimiy tunnel toki maromida STMning teskari bog‘lanish sistemasi skanlashning har bir nuqtasida “igna - namuna” masofasini rostlash orqali tunnel tokining doimiyligini ta’minlaydi. Teskari bog‘lanish sistemasi tunnel toki o‘zgarishini “poylab” turadi va skanlovchi qurilmaga berilayotgan kuchlanishni shunday boshqaradiki, bunda tok o‘zgarishi kompensatsiyalanadi. Ya’ni, tok ortganda teskari bog‘lanish sistemasi zondni namunadan uzoqlashtiradi, tok kamayganda esa yaqinlashtiradi. Bu maromda tasvir skanlovchi qurilmaning vertikal ko‘chishi qiymati haqidagi ma’lumotlar asosida tuziladi.
Ikkala marom ham afzalliklarga, ham kamchiliklarga ega. Ammo faqat nisbatan silliq sirtlar o‘rganilganda, doimiy balandlik maromida natijalarni tez olish mumkin. Doimiy tok maromida esa noregulyar sirtlarni juda yuqori aniqlikda o‘lchash mumkin, ammo o‘lchashlar ko‘p vaqtni talab qiladi. Shuni qayd qilish lozimki, STM bilan dielektrik materiallarning tasvirini olib bo‘lmaydi. Bundan tashqari tunnel mikroskopi sifatli ishlashi uchun bir qator qat’iy shartlarga rioya qilish kerak. Xususan, vakuum sharoiti va ishlash tarzi boshqa fizikaviy kuch hodisasiga asoslangan namunalarni maxsus tayyorlash talab qilinadi. Skanlovchi tunnel mikroskoplar tasvirni 100 mln marta kattalashtirishni ta’minlaydi. Bu esa atomlar o‘lchamlarini nihoyatda katta aniqlikda o‘lchashga imkon beradi. Masalan, skanlovchi tunnel mikroskopi yordamida o‘lchangan uglerod atomining diametri 1,4∙10^-8 sm ga teng. Bu o‘lcham nihoyatda kichik bo‘lib, uni tassavur qilishning o‘zi murakkab. Agar dunyodagi barcha narsalarning o‘lchami 10⁸ marta ortgan deb tassavur qilsak, uglerod atomining o‘lchami diametri 1,4 sm ga teng sharchaday ko‘rinardi, odam bo‘yi esa 170 000 km ga, paxta chigitining o‘lchami -1000 km, soch tolasi -10 km ga teng bo‘lar edi. Skanlovchi tunnel mikroskopida (STM) namunalarni o‘rganishdagi ko‘pchilik qiyinchiliklar, 1986 yilda, atom kuch mikroskopining (AKM) yaratilishiga olib keldi. Bu mikroskop skanlovchi tunnel mikroskopdan farqli elektr toki o‘tkazmaydigan sirtlarning ham tasvirini olishga imkon beradi. Shunisi diqqatga sazovarki, STMda namuna va tig‘ orasidagi halaqit beradigan ta’sirlashish kuchlaridan AKMda asos qilib foydalanilgan. AKM nafaqat vakuumda, balki atmosferada ham, oldindan rejalashtirilgan gazda va hattoki suyuqlikda ham o‘lchashni amalga oshirishga imkon beradi, bu esa biologik mikroskopiyaning rivojlanishi uchun ham zamin yaratdi. AKMda volframli tig‘ o‘rniga atom o‘lchamlarigacha o‘tkirlangan olmosning kichik bo‘lakchasidan foydalaniladi. Tig‘ o‘rganilayotgan sirtga yaqinlashtirilganda olmos atomlarining elektron bulutlari sirt atomlarining elektron bulutlari bilan qoplana boshlaydi va ular orasida itarish kuchlari yuzaga keladi. Bu kuchlar olmos tig‘ining uchini og‘diradi. Og‘ish tutib turgichga o‘rnatilgan oynachaga tushayotgan lazer nuri yordamida qayd qilinadi. Qaytgan nur tunnel mikroskopdagi kabi pezoelektrik manipulyatorni harakatga keltiradi. Teskari aloqa mexanizmi shunday tuzilganki, u doimo olmos ignaning sirtdan balandligini tutib turgich plastinaning egriligi o‘zgarmas holda saqlangan holatda bo‘lishini ta’minlaydigan tarzda ushlab turadi. Shunday qilib, skanlovchi zondli mikroskopiya asri boshlanishiga qadam qo‘yildi. Shundan so‘ng tezda 10 angstremli ob’ektlarni ajrata oladigan optik to‘lqinlardan foydanilgan maydon mikroskopiyasi taqdim yetildi.



1-rasm.