УЛЬТРАТОНКАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В ПРОСВЕЧИВАЮЩЕМ ЭЛЕКТРОННОМ МИКРОСКОПЕ

К заявке № 2014105180/05
УЛЬТРАТОНКАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В ПРОСВЕЧИВАЮЩЕМ ЭЛЕКТРОННОМ МИКРОСКОПЕ
Полезная модель относится к области микроэлектроники и может быть использована для исследования различных объектов в просвечивающем электроном микроскопе.
Известны ультратонкие углеродные мембраны для исследования различных объектов в ПЭМ. (Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy / J. Ayache, L. Beaunier, J. Boumendil, G. Ehret, D. Laub. - Springer, 2010-338 p.), представляющая собой медную сетку с нанесенным на нее слоем углерода. Такие мембраны изготавливаются следующим образом. Тонкая пленка углерода осаждается методом вакуумно-дугового испарения графита на монокристаллы NaCl или слюды. Эти монокристаллы затем помещаются в дистиллированную воду. При этом нанесенная пленка отделяется от них и оказывается на поверхности воды. Затем эту пленку помещают на стандартные медные сетки для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).
2
Недостатком таких мембран является ограниченная область их применения, так как очень часто необходимо исследовать объекты, нанесенные на другие типы подложек (например, в нанотехнологии, где основным материалом подложки является SiO), а тип подложки оказывает существенное влияние на структуру наносимых объектов (например, тонких пленок).
2
2
2
Для устранения этого недостатка были предложены ультратонкие мембраны для исследования различных объектов в высокоразрешающем просвечивающем электроном микроскопе (ПЭМ), в которых подложки изготавливают в виде кремниевых сеток с прозрачными для электронов окнами SiO. При этом поверхности SiO, изготовлены методом формирования оксидного слоя на кремниевой подложке и толщина пленки SiO составляет не менее 50 нм. Окно в кремниевой подложке задается травлением подложки до оксидного слоя. Одна подложка может содержать множество окон, каждое из которых находится в своей рамке, состоящей из кремниевых дорожек. Рамки крепятся к подложке с помощью выступов, которые можно легко сломать, чтобы отделить одну рамку с окном от подложки. Проводящие или иные слои могут быть нанесены на рамку перед ее отделением от подложки, (заявка WO 2006127736 A2, МПК G06K 9/00, опуб. 2006-11-30).
2
Недостатком таких мембран является затрудненность исследования структур сверхмалой толщины (например, поликристаллических пленок средневзвешенной толщины порядка нескольких ангстрем), что требует современный уровень техники. Кроме того, в отдельных случаях использование SiO в качестве окна нежелательно (например, при элементном анализе Si-содержащих структур). Еще одним недостатком таких мембран является трудоемкость их изготовления, т.к. для получения готовых окон требуется более 10 технологических операций.
Предлагаемая полезная модель решает задачу получения простым и технологичным способом ультратонких мембран для исследования различных объектов в высокоразрешающем ПЭМ, позволяющих расширить круг исследуемых структур.
2
2
3
3
4
Поставленная задача достигается конструкцией ультратонкой мембраны для исследования объектов в просвечивающем электроном микроскопе, содержащей медную сетку и закрепленную на ней тонкую пленку из прозрачного для электронов материала, новизна которой заключена в том, что прозрачный для электронов материал выбран из ряда: SiO, AlO, MgO, SiN а пленка прозрачного для электронов материала закреплена непосредственно на медной сетке.
Наиболее технологично изготавливать мембрану с толщиной пленки 20-100 нм.
Закрепление прозрачной пленки непосредственно на медной сетке исключает нанесение дополнительных слоев, которые могут затруднять исследования структур сверхмалой толщины.
2
2
3
3
4
Использование в качестве прозрачного для элетронов материала, выбранного из ряда: SiO, AlO, MgO, SiN дает возможность исследовать в просвечивающем электронном микроскопе взаимодействие наносимых объектов именно с той подложкой, на которую их планируется наносить.
Исследуемую структуру можно наносить на полученную ультратонкую мембрану любым известным в микро- и нанотехнологии методом: золь-гель методом, электронно-лучевым испарением, лазерной абляцией, ВЧ-диодным распылением.
Предлагаемая нами мембрана позволяет сразу же после нанесения на нее исследуемых структур изучать их в просвечивающем электронном микроскопе.
На фиг. 1 изображен общий вид мембраны вид сверху, где 1 медная сетка,
2 - закрепленная на ней пленка из прозрачного для электронов материала.
На фиг. 2 поэтапные действия получения ультратонких мембран для исследования различных объектов в высокоразрешающем ПЭМ, где
a - стандартные медные сетки для просвечивающего микроскопа;
2
в - кристаллы NaCl с тонкой пленкой SiO, осажденной электронно-лучевым испарением;
2
с - погружение NaCl в воду, всплытие пленки SiO на поверхность воды в емкости для растворения NaCl;
2
d - захват SiO для помещения его на сетку с помощью пинцета.
2
В таблице 1 приведены данные, подтверждающие влияние толщины пленки SiO на контрастность изображения островка пленки на фоне получаемой мембраны.
Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемую полезную модель:
2
3
4
2
3
Предлагаемая ультратонкая мембрана (фиг. 1) состоит из медной сетки 1 на которой закреплена пленка 2 из прозрачного для электронов материала, закрывающая, по крайней мере, одну из ячеек сетки. Пленка может быть выполнена из материала, выбранного из ряда: SiO, SiN, AlO, MgO.
2
Пример 1. Получение ультратонких мембран, состоящих из медной сетки и закрепленных на ней пленок SiO
2
2
2
2
Тонкая пленка SiO осаждалась методом электронно-лучевого испарения кварца на монокристаллы NaCl размером 5×5 мм и толщиной ~1 мм. Толщина наносимой пленки контролировалась при помощи кварцевого резонатора. После растворения кристалла NaCl в воде на поверхности воды оставалась пленка SiO. Затем пленку SiO помещали на стандартные медные сетки для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), на которой она держалась благодаря возникающим силам Ван-дер-Ваальса. Достоинством таких мембран является возможность их создания с контролируемой толщиной слоя SiO, в том числе, очень тонкого (~20 нм).
2
2
2
2
В последующем на эти мембраны наносились сверхтонкие плeнки различных металлов - Fe, Ni, Pd, и т.д. На плeнках Fe выполнялся рост углеродных нанотрубок. Pd наносился для исследования начальных стадий роста тонких пленок. Во всех случаях изготовленные предлагаемым методом мембраны имеют большую возможность по контрасту, чем мембраны на основе кремниевых подложек с окнами SiO большей толщины, а именно за счет малой толщины слоя SiO удалось уверенно визуализировать монокристаллические островки пленки Pd средневзвешенной толщины 3 ангстрема, а также однослойные углеродные нанотрубки диаметром до 1 нм, лежащие на мембране. В режиме электронной дифракции тонкий слой SiO на мембранах, изготовленных предлагаемым методом, давал значительно более слабое гало, чем на мембранах на основе кремниевых подложек с окнами SiO, что позволило записать картины электронной дифракции на сверхтонких пленках Ni.
2
Влияние толщины пленки SiO на получаемый результат были исследованы при измерении контрастности изображения островка пленки на фоне получаемой мембраны (см. Таблицу 1). Контрастность рассчитывалась как отношение разности яркости фона и яркости объекта к яркости фона. Как видно из приведенной таблицы, снижение толщины пленки ниже заявляемого интервала значений (до 15 нм) не приводит к получению заявляемой мембраны из-за разрушения пленки при осаждении на медную сетку. При увеличении толщины пленки выше 100 мк изображение плохо различимо. Наиболее контрастные изображения получают при минимальной толщине пленки в 20 нм
2
3
Пример 2. Получение ультратонких мембран, состоящих из медной сетки и закрепленных на ней пленок AlO.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Тонкая пленка AlO осаждалась методом электронно-лучевого испарения сапфира на монокристаллы NaCl размером 5*5 мм и толщиной ~1 мм. После растворения кристалла NaCl в воде на поверхности воды оставалась пленка AlO. Затем пленку AlO помещали на стандартные медные сетки для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Ранее такие мембраны не изготавливались. Имеется возможность нанесения слоя AlO легко контролируемой толщины, в том числе, очень тонкого (~20 нм). AlO является хорошим буферным слоем для нанесения катализатора и синтеза углеродных нанотрубок, поэтому с помощью таких мембран можно выполнять исследование структуры нанотрубок в ПЭМ без применения дополнительных поддерживающих слоев, а значит без снижения контраста.
Пример 3. Получение ультратонких мембран, состоящих из медной сетки и закрепленных на ней пленок MgO.
Тонкая пленка MgO осаждалась методом электронно-лучевого испарения спрессованных таблеток из порошка MgO на монокристалы NaCl размером 5*5 мм и толщиной ~1 мм. После растворения кристала NaCl в воде на поверхности воды оставалась пленка MgO. Затем пленку MgO помещали на стандартные медные сетки для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). До сих пор такие мембраны не получали. MgO в настоящее время является популярным буферным слоем для нанесения сегнетоэлектрических пленок. Применение предлагаемых мембран позволит проводить исследование этих пленок в ПЭМ без применения дополнительных поддерживающих слоев, а значит без снижения контраста, при этом имеется возможность нанесения слоя MgO легко контролируемой толщины, в том числе, очень тонкого (~20 нм).
3
4
Пример 4. Получение ультратонких мембран, состоящих из медной сетки и закрепленных на ней пленок SiN.
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
Тонкая пленка SiN осаждалась методом ВЧ-диодного распыления в плазме аргона с добавлением азота из мишени SiN на монокристаллы NaCl размером 5*5 мм и толщиной ~1 мм. После растворения кристалла NaCl в воде на поверхности воды оставалась пленка SiN. Затем пленку SiN помещали на стандартные медные сетки для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Достоинством таких мембран является возможность нанесения слоя SiN легко контролируемой толщины, в том числе, очень тонкого (~20 нм).
Как видно из приведенных примеров, предлагаемая кострукция ультратонких мембран позволяет исследовать структуры сверхмалой толщины на различных буферных слоях, что раньше было невозможным, т.к. буферные слои наносились на поддерживающий слой большой толщины, значительно ухудшавший контраст изображения в ПЭМ. Вышеперечисленные мембраны могут использоваться для изучения различных химических и биологических объектов методом ПЭМ в зависимости от степени их химической активности.
Кроме того, способ их изготовления не требует сложного и дорогостоящего оборудования и является простым и технологичным.
УЛЬТРАТОНКАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В ПРОСВЕЧИВАЮЩЕМ ЭЛЕКТРОНОМ МИКРОСКОПЕ.