Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

DOBRIK Gergely #02b - STM NANOLITOGRÁFIA -
Témavezető: DOBRIK Gergely, Tel.:392-2222-2526, Épület:26., Szoba:4., E-mail:dobrik@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

STM blokk diagram
1. ábra. Az STM elvi felépítése.

Manapság egyre nagyobb az érdeklődés a nanovilág és a nanotechnológia iránt. Ahogy fejlődik műszaki technológiákkal átszőtt világunk, úgy egyre újabb és újabb területeket hódítunk meg. Az egyik ilyen új terület a nanométeres világ. Ahogy egyszer (még 1959-ben) Richard Feynman mondta: "There is Plenty of Room at the Bottom" azaz, van még elég hely odalent. Már akkor látta, hogy micsoda lehetőségek rejlenek még az anyag mélyén. De azokban az évtizedekben még nem adatott meg, hogy uralmunk alá hajtsuk ezt a furcsa világot. Képeseknek kell lennünk hozzá, mind látni, mind manipulálni a nanométeres mérettartományban (1 nm = 10-9 m, azaz a méter egymilliárdod része). Erre akkor nyílt lehetőségünk először, amikor 1981-ben Gerd Binnig és Heinrich Rohrer megalkotta az STM-et, amiért is szokatlanul hamar, már 1986-ban Nobel-díjat kaptak.

STM - Scanning Tunneling Microscope, avagy magyarul Pásztázó Alagútmikroszkóp. Ez egy pásztázó tűszondás anyagvizsgálati módszer, melynek lényege, hogy a vizsgált mikroszkopikus mintához egy nagyon hegyes - ideális esetben, egyetlen atomban végződő - szondával atomi léptékkel mérhető közelségbe kerülünk, majd a szonda segítségével lokális méréseket, illetve módosításokat végezhetünk a rajta.

Az STM működése az ún. kvantumfizikai alagútáramra épül. Ha két elektromosan vezető anyagot összeérintünk és közéjük feszültséget kapcsolunk, akkor elektromos áram fog folyni rajtuk keresztül. Ha most rendkívül óvatosan elkezdjük távolítani őket egymástól, az áram megszűnik, de nem "egyből", hanem exponenciálisan lecsengően. Valahányszor 0,1 nm-rel (nem milliméterrel, hanem nanométerrel!) növeljük a távolságot, az áramerősség kb. az 1/10 részére csökken. Ennek a jelenségnek a magyarázata az ún. alagúteffektus, miszerint egy részecske bizonyos valószínűséggel képes áthatolni a mozgási energiájánál magasabb potenciálgáton is. (Mintha egy vonat a hegy alatti alagúton menne át). Másként fogalmazva: az egymástól távolodó atomok elektronfelhői egy bizonyos (atomi méretű) távolságon belül még átfednek, és ez megengedi az elektronok átjutását egy bizonyos kiszámolható valószínűséggel. Az így folyó áramot nevezzük alagútáramnak. Az erre alapuló mérési módszer megköveteli, hogy a mintánk elektromosan vezető legyen. A platinából készült tűt, amivel a letapogatást végezzük, egy piezoelektromos kerámiából készült hengerrel tudjuk mozgatni, atomi pontossággal, úgy, hogy arra megfelelő nagyságú és polaritású feszültséget kapcsolunk (1. ábra). (A piezokerámia olyan anyag, amely megváltoztatja a méreteit elektromos feszültség hatására.) A pásztázó alagútmikroszkóppal, az arra alkalmas mintákon az atomi felbontás rutinszerűen elérhető. További információ az STM kezeléséről itt olvasható: STM Laborgyakorlat segédlet
.
kvantumkarám
2. ábra. STM-mel létrehozott "kvantumkarám".

STM litográfia:

Mint láthattuk, atomi pontosságú mérésekre alkalmas ez a mikroszkópiai módszer. De nem csak mérni, hanem módosítani is tudjuk vele a felületet. Erre igen szép példa alacsony hőmérsékletű STM-ben arany felületén kör alakban kirakott xenon atomok képe (2. ábra). Az igen kicsi méretskála miatt, a kvantumos hatások erőteljesen jelentkeznek. Láthatjuk, hogyan interferál az elektronhullám.
De nemcsak mozgatni tudjuk az atomokat a felületen, hanem meg is tudjuk "munkálni" a felületet. Így létre tudunk hozni különböző nanostruktúrákat, vagy akár el tudunk vágni, például egy nanocsövet is.
Azt figyelték meg, hogy ez a vágási folyamat jobb hatásfokú szabad levegőn, mint vákuumban. Ez az oxigén és víz jelenlétének köszönhető. Valójában a felületre abszorbeálódott víz segítségével tudjuk eloxidálni a felületet. A folyamat dióhéjban a következő: "nagy" áramot kapcsolunk a minta és a tű közé. Az átfolyó viszonylag nagy áram felbontja a vizet, és a keletkezett szabad oxigénatomok eloxidálják a felszíni atomokat. Egyik legjobb kísérleti alapanyag erre a grafit, mivel szabad levegőn stabil és atomi simaságú.

C + H2O ® C(H2O)
C(H2O) ® H2Ý + C(O)
C(O) ® CO


STM vágás közben
3. ábra. STM vágás közben. A szokásosnál nagyobb áram (10-100 nA) segítségével eloxidáljuk a minta felületét a tű alatt.

Az STM litográfiai eljárást egy számítógépes makroprogram segítségével lehet vezérelni, amellyel több különböző fontos paraméter is kontrollálható pl.: az áram, a feszültség, vagy a tűsebesség. Ennek segítségével a kívánt alakzat előre tervezetten kivágható (3. ábra).

A vágási mélység és a kontúr elég jól szabályozható, létre lehet hozni, például "kvantumbilliárdokat", nanoszalagokat és egyéb nanosturktúrákat. Ez a módszer jelenleg a világon a legfinomabb litográfiás eljárás, nyugodtan mondhatjuk, hogy atomi finomságú. A 4. ábrán egy konkrét példa látható STM litográfiára, amit itt az MFA-ban csináltunk.

STM litográfiával létrehozott struktúra.
4. ábra. Grafitból, STM litográfiával létrehozott struktúra.



nature nanotechnology
5. ábra. A "nature nanotechnology" címlapján megjelent MFA-s jutatási eredmény.


Bizonyítandó az eljárás aktualítását és fontosságát, munkásságunk a "Nature Nanotechnology" címlapján is szerepelt. Jelenleg mi tartjuk a világrekordot a legkeskenyebb kivágott szalaggal, amely csupán 2,5 nm széles! - Mindössze 20 atomnyi szélességet jelent...




TOVÁBBI INFORMÁCIÓK:
Nanoszerkezetek Osztály honlapja, MTA MFA
Nanoszerkezetek Osztály honlapja angolul





TV-ből digitalizált videók a laborban folyó munkákkal kapcsolatban:

2008.09.27.-6':21", LETÖLTÉS (MPEG1, 61 MByte)

Grafén szabóság az MFA-ban...
2003.11.03.-52':53", LETÖLTÉS (MPEG1, 367 MByte)

Az emberiség útja a nanovilág felé" - Gyulai József előadása a Mindentudás Egyetemén
2003.05.10.-25':02", LETÖLTÉS (MPEG1, 212 MByte)

Nano Világ


ELÉRHETŐSÉGEK:
Témavezető: DOBRIK Gergely, Tel.:392-2222-2526, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:4., E-mail:
dobrik@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

Utolsó frissítés: Wed, 29 Apr 2009 18:04:10 GMT, Számláló: