СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
METHOD OF FORMING NANOSCALE STRUCTURES

Способ формирования наноразмерных структур предназначен для получения полосок тонких пленок наноразмерной ширины с целью их исследования и, например, для формирования элементов наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Известен способ формирования полосок графена, включающий получение заготовок тонких пленок графена и выделение из них полосок графена фокусированным ионным пучком [1].
Недостаток указанного способа заключается в его сложности, связанной с использованием ионно-лучевого оборудования и, соответственно, ограниченными функциональными возможностями.
Технический результат предложенного способа заключается в упрощении получения наноразмерных структур и расширении функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования наноразмерных структур, включающем получение заготовок тонких пленок и выделение из них полосок тонких пленок, по меньшей мере, одну заготовку тонкой пленки закрепляют внутри заполненного объема, который устанавливают в держатель микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась непараллельна плоскости реза, после этого ножом осуществляют рез заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки и получение плоского фрагмента с полоской тонкой пленки.
Существуют варианты, в которых заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и перпендикулярна направлению реза; или заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и параллельна направлению реза.
Существуют также варианты, в которых после осуществления реза проводят исследование зондом сканирующего зондового микроскопа поверхности заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки; или производят модификацию заготовки тонкой пленки, расположенной внутри заполненного объема.
Существуют также варианты, в которых модификация заготовки тонкой пленки заключается в механическом воздействии на нее зондом; или в электрическом воздействии на нее зондом; или в электрохимическом воздействии на нее зондом; или в воздействии на нее электронным пучком; или в воздействии на нее ионным пучком; или в воздействии на нее рентгеновским пучком; или в воздействии на нее пучком альфа-частиц; или в воздействии на нее пучком протонов; или в воздействии на нее пучком нейтронов.
Существует также вариант, в котором внутри заполненного объема закрепляют набор заготовок тонких пленок; при этом заготовки тонких пленок расположены параллельно друг другу.
Существует также вариант, в котором в качестве тонких пленок используется графен.
На фиг.1 изображен микротом, совмещенный со сканирующим зондовым микроскопом, вид сбоку.
На фиг.2 изображен вид А по фиг.1.
На фиг.3 изображен вариант расположения заготовки тонкой пленки перпендикулярно направлению реза.
На фиг.4 изображен вариант расположения заготовки тонкой пленки параллельно направлению реза.
На фиг.5 изображен вариант расположения набора заготовок тонких пленок.
Способ формирования наноразмерных структур реализуется следующим образом. Вначале идут подготовительные операции. Получение заготовок тонких пленок, например графеновых, в одном из вариантов осуществляют путем послойного утонения графита, см., например, в [2, 3]. После этого, по меньшей мере, одну заготовку такой тонкой пленки закрепляют внутри заполненного объема, который может представлять собой объем, из эпоксидной смолы. Этот процесс может происходить следующим образом. Емкость цилиндрической или прямоугольной формы (не показана) частично заполняют эпоксидной смолой в жидком состоянии, после чего на поверхность эпоксидной смолы помещают заготовку тонкой пленки. Емкость может быть выполнена из полиэтилена высокой плотности. После затвердевания объема эпоксидной смолы емкость еще раз заполняют эпоксидной смолой в жидком состоянии, так что заготовка тонкой пленки оказывается внутри объема, заполненного эпоксидной смолой, после чего происходит ее отвердевание. Затем затвердевший заполненный объем эпоксидной смолы высвобождают из емкости.
После этого идут основные технологические операции. Заполненный объем 1 (фиг.1, фиг.2) устанавливают в держатель 2 микротома 3, включающего модуль перемещения 4, установленный на платформе 5, таким образом, чтобы плоскость 6 заготовки тонкой пленки 7 оказалась непараллельна плоскости реза 8. После этого ножом 9, установленным в модуле 10, осуществляют рез заполненного объема 1 с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки 7 и получение плоского фрагмента 11 с полоской тонкой пленки 12. Фрагмент 11 после его среза может падать в ванночку 13. В частном случае она может быть заполнена жидкостью, например водой. Подробнее выполнение микротома 3 и его работу см. в [4, 5].
Существует вариант, в котором заполненный объем 14 (фиг.3) устанавливают в держатель 2 микротома 3 таким образом, чтобы плоскость 15 заготовки тонкой пленки 16 оказалась перпендикулярна плоскости реза 8 и перпендикулярна направлению реза 17.
Существует также вариант, в котором заполненный объем 20 (фиг.4) устанавливают в держателе 2 микротома 3 таким образом, чтобы плоскость 21 заготовки тонкой пленки 22 оказалась перпендикулярна плоскости реза 8 и параллельна направлению реза 17.
Существует также вариант, в котором после осуществления реза проводят исследование зондом 25 (фиг.1) сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) 26 поверхности 27 заполненного объема 1 с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки 7, оставшейся в объеме 1. Это исследование проводят после подвода зонда 25 к поверхности 27, используя устройство грубого сближения 28. Подробнее выполнение СЗМ, а также его в составе микротома см. в [6, 7].
Существует также вариант, в котором производят модификацию заготовки тонкой пленки 7, расположенной внутри заполненного объема.
Модификация заготовки тонкой пленки 7 в одном из вариантов заключается в механическом воздействии на нее зондом 25; или в электрическом воздействии на нее зондом 25; или в электрохимическом воздействии на нее зондом 25. Эти воздействия могут осуществляться следующим образом. Для механического воздействия на заготовку тонкой пленки 7 зонд 25 подводят к выбранной зоне заготовки тонкой пленки 7 на поверхности 27, после чего к этой зоне зондом 25 прикладывается усилие, контролируемое с помощью сканирующего зондового микроскопа 26. Для электрического и электрохимического воздействия, в случае если заготовка тонкой пленки 7 является электропроводящей, к ней внутри заполненного объема 1 присоединяют электрический проводник (не показан), который соединяет ее с управляющим блоком (не показан) сканирующего зондового микроскопа 26. Зонд 25 выполняют из электропроводящего материала, например платины, или покрывают слоем электропроводящего материала, например платины или золота, и также соединяют электрически с управляющим блоком сканирующего зондового микроскопа 26. После чего зонд 25 подводят к выбранной зоне заготовки тонкой пленки 7 на поверхности 27 и между зондом 25 и заготовкой тонкой пленки 7 прикладывают электрическое напряжение в диапазоне, контролируемое с помощью сканирующего зондового микроскопа 26.
При этом для электрохимического воздействия на заготовку тонкой пленки 7 зона взаимодействия заготовки тонкой пленки 7 с зондом 25 может помещаться в условия контролируемой атмосферы или влажности, например в воздушную атмосферу с уровнем относительной влажности 20% при комнатной температуре. Для этого микротом 3 и сканирующий зондовый микроскоп 26 могут помещаться в герметичную камеру, заполненную определенным газом, например воздухом. Подробнее эти воздействия и режимы работы описаны в [8, 9, 10, 11].
В других вариантах воздействие на заготовку тонкой пленки 7 может осуществляться пучком заряженных частиц, например электронным пучком; или ионным пучком; или пучком альфа-частиц; или пучком протонов; а также рентгеновским пучком или пучком нейтронов. Эти воздействия могут осуществляться следующим образом. После осуществления реза выбранная зона поверхности 27 заполненного объема 1 с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки 7, оставшейся в объеме 1, подвергается воздействию пучка заряженных частиц заданной интенсивности и длительности, создаваемого источником заряженных частиц. В качестве источника заряженных частиц может быть использован источник электронов, или источник ионов, или радионуклидный источник альфа-частиц, или источник протонов. Также воздействие на выбранную зону заготовки тонкой пленки 7 на поверхности 27 может осуществляться пучком рентгеновского излучения заданной интенсивности и длительности, или пучка нейтронов заданной интенсивности и длительности, для чего может быть использован источник рентгеновского излучения или источник нейтронов. Минимальные размеры зоны воздействия пучка заряженных частиц, рентгеновского излучения или нейтронов на заготовку тонкой пленки 7 определяются возможностями фокусировки пучков соответствующих источников.
Подробнее эти источники и воздействия описаны в [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Источники этих воздействий на фиг.1, 2 не показаны. В случае малогабаритных источников (например, альфа-частиц) такие источники могут быть размещены на модуле 26. Если источник имеет крупные габариты, например синхротронный источник рентгеновского излучения, то модуль 3 может быть расположен напротив окна вывода рентгеновского излучения в вакуумной камере. Ванночка 13 в этом случае может быть снята с модуля 10. В результате всех описанных воздействий на заготовку 7 в полоске тонкой пленки 12 (наноразмерной структуре) могут происходить следующие изменения: локальная аморфизация, рекристаллизация, деоксидизация, полимеризация или абляция материала в зоне воздействия пучка, а также локальная имплантация ионов. Подробнее эти изменения описаны в [20, 21, 22]. Описанные изменения могут использоваться для создания наноразмерных электронных и оптических устройств на заданных участках полоски тонкой пленки 12.
Существует также вариант, в котором внутри заполненного объема 30 (фиг.5) закрепляют набор 31 заготовок тонких пленок 32; при этом заготовки тонких пленок располагают параллельно друг другу. Это может быть осуществлено следующим образом. Емкость цилиндрической или прямоугольной формы частично заполняют эпоксидной смолой в жидком состоянии, после чего на поверхность эпоксидной смолы помещают первую заготовку тонкой пленки. Емкость может быть выполнена из полиэтилена высокой плотности. После затвердевания объема эпоксидной смолы на ее поверхность наносится слой эпоксидной смолы в жидком состоянии определенной (0.01-0.5 мм) толщины. После затвердевания слоя эпоксидной смолы на его поверхность помещают следующую заготовку тонкой пленки. Затем описанная процедура повторяется необходимое число раз для получения заданного набора 31 тонких пленок 32 внутри заполненного объема 30. Затем затвердевший заполненный объем 30 эпоксидной смолы с набором 31 заготовок тонких пленок 32 высвобождают из емкости.
Существуют варианты, в которых вместо тонких пленок в заполненном объеме закрепляют микропроволочки, нанотрубки и жидкие кристаллы (не показаны).
Возможны варианты, в которых плоскости заготовок тонких пленок расположены под разными углами к плоскости реза 8 и направлению реза 17 (не показаны).
Существуют также варианты, в которых полоски тонких пленок 12 (наноразмерные структуры) используют в составе плоских фрагментов 11, или после удаления плоских фрагментов 11. Это осуществляют следующим образом. Плоский фрагмент 11 помещают в ацетон, растворяют эпоксидную смолу и освобождают фрагменты 11. В обоих случаях помимо исследовательских работ наноразмерные структуры могут быть использованы в гибридных МЕМС, наномашинах в качестве соединителей, проводников, активных наноразмерных электронных и оптических элементов.
В качестве заготовок тонких пленок и соответственно полосок тонких пленок 12 может быть использован графен, оксид графена, а также другие материалы, например, полиимидные или жидкокристаллические пленки.
То, что, по меньшей мере, одну заготовку тонкой пленки закрепляют внутри заполненного объема, который устанавливают в держатель микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась не параллельна плоскости реза, после этого ножом осуществляют рез заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки и получение плоского фрагмента с полоской тонкой пленки - упрощает формирование наноразмерных структур, а также расширяет функциональные возможности способа за счет выбора их толщины, согласно толщине среза и более широкой номенклатуры материалов.
То, что заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и перпендикулярна направлению реза; или заполненный объем устанавливают в держателе микротома таким образом, чтобы плоскость заготовки тонкой пленки оказалась перпендикулярна плоскости реза и параллельна направлению реза, расширяет функциональные возможности способа за счет возможности работы с более широкой номенклатурой материалов, имеющих различные механические характеристики.
То, что после осуществления реза проводят исследование зондом сканирующего зондового микроскопа поверхности заполненного объема с, по меньшей мере, одной заготовкой тонкой пленки; или производят различные виды модификаций заготовки тонкой пленки, расположенной внутри заполненного объема, расширяет функциональные возможности способа за счет получения новых характеристик наноразмерных структур.
То, что внутри заполненного объема закрепляют набор заготовок тонких пленок, увеличивает производительность способа.
Литература
1. Д. Левин, В. Неволин, К. Царик. Формирование наноразмерных графеновых структур фокусированным ионным пучком // Наноиндустрия. 2011. №5.
2. Патент RU 2413330, 2011.
3. S. Park et al. Nature Nanotech. 4, 217 (2009).
4. Патент RU 2239490, 2003.
5. Патент RU 2282257, 2003.
6. Патент RU 2389032, 2010.
7. Патент RU 2401983, 2010.
8. V.A. Bykov. Langmuir-Blodgett films and nanotechnology. Biosensor & Bioelectronics Vol.11, No.9, pp.923-932, 1996.
9. S. Lemeshko, S.Gavrilov, V. Shevyakov, V. Roschin and R. Solomatenko, Investigation of tip-induced ultrathin Ti film oxidation kinetics, Nanotechnology 12, 273 (2001).
10. В. Irmer, R.H. Blick, F. Simmel, W. Godel, H. Lorenz, and J.P. Kotthaus, Josephson junctions denned by a nanoplough, Appl. Phys. Lett., Vol.73, 2051 (1998).
11. Gavrilov S, Bykov V., Lemeshko S.V, Saunin S.A., Shevyakov V.I., Roschin V.M. The factors influence investigation on a tip-induced oxidation process and its applications for nanoscale image creation. (2003) AIP Conference Proceedings 696 (1) 594-601.
12. Ivo Utke, Stanislav Moshkalev, Phillip Russell, Nanofabrication Using Focused Ion and Electron Beams: Principles and Applications: Principles and Applications, Oxford University Press, 2012 - Всего страниц: 840.
13. lan G. Brown, The Physics and Technology of Ion Sources John Wiley & Sons, 21.04.2006 - Всего страниц: 396.
14. Jon Orloff, Lynwood Swanson, Mark William Utiaut, High Resolution Focused Ion Beams: Fib and Its Applications: The Physics of Liquid Metal Ion Sources and Ion Optics and Their Application to Focused Ion Beam Technology, Springer, 2003 - Всего страниц: 303.
15. Gerhart Lowenthal, Peter Airey Practical Applications of Radioactivity and Nuclear Radiations Cambridge University Press, 2001.
16. Егоров Е.В., Егоров В.К. Практическая реализация повышения светосилы плоских рентгеновских волноводов-резонаторов // Поверхность. 2009. №1, с.1-9.
17. Тюфяков Н.Д., Штань А.С.Основы нейтронной радиографии 1975. 256 с.
18. Гуревич И.И, Тарасов Л.В. Физика нейтронов низких энергий, Москва, «Наука», 1965.
19. Paul Reuss, Neutron Physics L′Editeur: EDP Sciences, 2008.
20. Jiangtao Chen, Guangan Zhang, Baomin Luo, Dongfei Sun, Xingbin Yan, Qunji Xue, Surface amorphization and deoxygenation of graphene oxide paper byTi ion implantation, CARBON 49 (2011) 3141-3147.
21. D. Teweldebrhan and A.A. Balandin, Modification of graphene properties due to electron-beam irradiation, Appl. Phys. Lett. 94, 013101 (2009).
22. Hiroaki Abe, Hiroshi Naramoto and Chiken Kinoshita. Amorphization of Graphite Under Ion or Electron Irradiation. MRS Proceedings, 373, 383 (1994).