Автореферат разослан " " г
| Вид материала | Автореферат |
- Автореферат разослан " " 1996, 264.76kb.
- Автореферат разослан 22 ноября 2011, 810.64kb.
- Автореферат разослан, 378.04kb.
- Автореферат разослан 2010, 247.49kb.
- Автореферат разослан 2004, 676.99kb.
- Автореферат разослан 2008, 441.97kb.
- Автореферат разослан 3 ноя, 388.48kb.
- Автореферат разослан 2009, 589.75kb.
- Автореферат разослан 2007, 489.7kb.
- Автореферат разослан 2011, 854.41kb.
На правах рукописи
Миронов Виктор Леонидович
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР
01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико математических наук
Нижний Новгород – 2009 г.
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук
Институте физики микроструктур РАН
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
член-корреспондент РАН
Латышев Александр Васильевич;
зам. директора Института физики полупроводников СО РАН, Новосибирск
доктор физико-математических наук,
профессор, начальник лаборатории Попков Анатолий Федорович;
ФГУП НИИ физических проблем
им. Ф.В.Лукина, Москва, Зеленоград
доктор физико-математических наук
главный научный сотрудник,
заведующий лабораторией
Титков Александр Николаевич;
Физико-технический институт
им. А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук
Казанский физико-технический институт
им. Е.К.Завойского
Казанского научного центра РАН
Защита состоится “ ” г. в час.
на заседании диссертационного совета Д 002.098.01
в Институте физики микроструктур РАН
по адресу 603950, Нижний Новгород, ГСП-105.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Института физики микроструктур РАН.
Автореферат разослан “ ” г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор физико-математических наук,
профессор К.П.Гайкович
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 20 лет зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования и модификации свойств поверхности, тонкопленочных структур и наноструктур на их основе.
Бурное развитие методов СЗМ, таких, как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия (МСМ) и их успешное применение для исследований самых разнообразных объектов обусловлено несколькими аспектами:
- простота и высокая эффективность СЗМ методик способствовали их широкому распространению во многих областях науки и техники;
- сканирующие зондовые микроскопы позволяют проводить исследования в широком интервале температур и при различных внешних условиях: на воздухе, в вакууме, в жидких и газообразных средах, в присутствии внешних электромагнитных полей и др., обеспечивая при этом высокое (вплоть до атомарного) пространственное разрешение;
- зондовая микроскопия предоставляет возможности получения комплексной информации с одного и того же места исследуемого объекта посредством применения различных СЗМ методик.
- СЗМ обладает высокой сочетаемостью с другими методами исследования механических, оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел;
- с развитием методов СЗМ появились уникальные возможности локального активного воздействия на структуру и свойства исследуемых объектов, что обусловило развитие целого ряда новых направлений в нанотехнологии.
Вместе с тем, при разработке новых СЗМ методик и при исследовании новых объектов часто приходится сталкиваться с решением целого ряда методологических проблем. В качестве наиболее общих и важных проблем можно указать следующие:
- проблема влияния зонда на структуру и свойства исследуемых образцов, диагностика искажений СЗМ изображений, связанных с таким влиянием и исключение приборных артефактов из СЗМ изображений;
- проблема интерпретации результатов СЗМ исследований с учетом особенностей формирования контраста в различных СЗМ методиках и для различных конкретных образцов;
- метрологические проблемы СЗМ, связанные с получением количественных характеристик свойств исследуемых объектов;
- установление взаимного соответствия между экспериментальными данными, получаемыми методами СЗМ, и другими методами диагностики свойств твердых тел;
- развитие новых методик измерений, предоставляющих более адекватную информацию об исследуемых объектах;
- разработка методов локальной селективной модификации свойств исследуемых образцов.
В той или иной мере все эти проблемы решались в диссертационной работе в применении к СЗМ исследованиям достаточно широкого круга твердотельных тонкопленочных структур с существенно различающимися свойствами.
Представленная работа посвящена развитию методов зондовой микроскопии и их применению для исследования поверхности твердого тела и локальных свойств перспективных тонкопленочных структур, таких, как полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами и точками, являющиеся основой для создания эффективных инжекционных лазеров и фотоприемников инфракрасного диапазона длин волн [1-3]; магнитные наноструктуры, интерес к которым обусловлен возможностью их применения в качестве дискретных сред в системах магнитной записи информации с высокой плотностью, для изготовления управляемых источников сильно неоднородных магнитных полей и для создания приборов наноспинтроники [4-6].
Актуальность представленной работы обусловлена, с одной стороны, важностью объектов исследований (тонкопленочные структуры и наноструктуры на основе полупроводников и ферромагнетиков интенсивно изучаются многими научными группами с помощью различных методов, что объясняется как интересом к их фундаментальным свойствам, так и перспективностью их практических применений в современной микроэлектронике), а, с другой стороны новизной и перспективностью методов, развиваемых для исследования данных структур. При этом выбор направлений развития СЗМ методик и выбор образцов для исследования были продиктованы практическими задачами, связанными с основными направлениями научной тематики Института физики микроструктур РАН.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы являлась разработка новых методик сканирующей зондовой микроскопии и их применение для исследования локальных (на нанометровых масштабах) свойств поверхности твердых тел, а также твердотельных тонкопленочных структур и наноструктур на основе полупроводников и ферромагнетиков, имеющих важное значение для приложений в микроэлектронике.
Основными задачами данной работы являлись:
- Проведение сравнительных исследований наномасштабных шероховатостей поверхности твердого тела методами сканирующей зондовой микроскопии и рентгеновской рефлектометрии (РРМ). Разработка СЗМ методики определения эффективных параметров рельефа поверхности, характеризующих рассеяние рентгеновского излучения, для диагностики шероховатостей подложек, применяемых при изготовлении элементов оптики рентгеновского диапазона длин волн.
- Разработка аппаратуры и СЗМ методик регистрации локального фототока в фоточувствительных полупроводниковых структурах. Исследование локальных спектральных зависимостей фотопроводимости и неоднородности фотолюминесцентных свойств полупроводниковых гетероструктур InxGa1-xAs/GaAs с квантовыми ямами и точками.
- Разработка СЗМ методик визуализации и модификации магнитного состояния массивов ферромагнитных наночастиц с целью создания конфигурируемых источников сильно неоднородного магнитного поля и перспективных дискретных сред для записи информации.
Научная новизна
- Проведены сравнительные исследования микрошероховатости поверхности серии тестовых подложек с различными типами поверхностного рельефа методами атомной силовой микроскопии и рентгеновской рефлектометрии. Показано, что в случае поверхностей, имеющих негауссово распределение по высотам, наблюдается расхождение в оценках параметров среднеквадратичного отклонения и корреляционной длины, полученных из угловых РРМ зависимостей интенсивности зеркальной и диффузной компонент рассеянного рентгеновского излучения, и из расчетов по АСМ профилям поверхности. Показано, что метод АСМ дает более адекватную по сравнению с методом РРМ информацию о геометрических характеристиках ансамбля шероховатостей поверхности.
- Предложена оригинальная СТМ методика регистрации спектральных зависимостей локального фототока в полупроводниковых квантоворазмерных структурах с высоким пространственным разрешением. Исследованы СТМ спектры фототока в гетероструктурах InxGa1-xAs/GaAs с квантовыми ямами и квантовыми точками, расположенными на различной глубине относительно приповерхностной области пространственного заряда. Для квантовых точек InAs, выращенных на поверхности образца, впервые получены спектры фототока, содержащие особенности, связанные с переходами носителей между уровнями размерного квантования в смачивающем слое InAs и квантовых точках.
4. В субмикронных эллиптических ферромагнитных частицах обнаружены индуцированные зондом МСМ обратимые переходы между однородным и вихревым состояниями намагниченности. Показана возможность управления направлением завихренности магнитного вихря в процессе перехода частицы из однородного в вихревое состояние.
5. Исследованы состояния намагниченности в наночастицах, состоящих из двух слоев ферромагнетика, разделенных немагнитной прослойкой.
В таких объектах впервые наблюдались индуцированные зондом МСМ переходы между состояниями с ферромагнитным упорядочением (вектора магнитных моментов в соседних ферромагнитных слоях сонаправлены) и антиферромагнитным упорядочением (вектора магнитных моментов в соседних ферромагнитных слоях направлены в противоположные стороны).
6. Проведены МСМ исследования многослойных ферромагнитных наночастиц в виде круглых дисков, содержащих три слоя ферромагнетика, разделенных немагнитными прослойками. Впервые экспериментально наблюдались состояния, отвечающие неколлинеарным (геликоидальным) распределениям намагниченности в таких объектах.
7. Проведены экспериментальные МСМ исследования особенностей локального перемагничивания нанодисков CoPt с перпендикулярной магнитной анизотропией. Показано, что индуцированный зондом МСМ процесс перемагничивания таких частиц осуществляется через неоднородное вихреподобное состояние, характеризуемое более низким энергетическим барьером по сравнению с однородными модами перемагничивания во внешнем однородном магнитном поле.