CC BY
40
УДК 621.385.833
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТМ-ЗОНДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНООБЪЕКТОВ ПРИ БЫСТРЫХ РЕЖИМАХ СКАНИРОВАНИЯ
1,2шелковников е. ю., 1гуляев п. в., 1тюриков а. в., 2сяктерев в. н.
1 Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
АННОТАЦИЯ. Рассмотрены методика и устройство для изготовления атомарно острых высокожестких СТМ-зондов методом комбинированного травления вольфрамовых заготовок с автоматическим отключением процесса электрохимического травления. Определены состав и соотношение смеси для многоступенчатого травления вольфрамовой заготовки в комбинированном режиме (электрохимическое и химическое травление). Показано, что применение предложенного пьезопривода в качестве актуатора подачи позволяет в автоматизированном режиме с высокой точностью контролировать степень погружения заготовки зонда в электролит для стабильного воспроизводства оптимального профиля зонда.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сканирующий туннельный микроскоп, зондирующее острие, комбинированное травление, высокожесткие СТМ-зонды.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время травление является одним из основных методов изготовления качественных зондов сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). Данный метод позволяет получать достаточно острые СТМ-зонды для проведения исследований с атомарным разрешением, что обусловлено наличием нановыступов на кончике зондирующего острия (ЗО), образующихся при разрушении заготовки в процессе ее перетравливания [1]. Исследованию вопросов изготовления СТМ-зондов методом травления посвящено большое количество печатных работ, в частности [1 - 4]. Эти исследования выявили, что на качество полученных в эксперименте СТМ-топографий влияет не только наличие нановыступов ЗО, но также и макроскопическая форма СТМ-зонда. В ряде случаев, когда исследование нанообъектов в туннельном микроскопе производится с большой скоростью сканирования (например, в режиме постоянного туннельного зазора) или в вязких средах (например, при электрохимических исследованиях), необходимо обеспечивать высокую жесткость СТМ-зонда при сохранении его основных характеристик. Это позволяет избежать значительных колебаний кончика острия, приводящих в наиболее неблагоприятных случаях к резонансным колебаниям, что является недопустимым при проведении СТМ-исследований с высоким пространственным разрешением. Таким образом, разработка методики и устройства для получения высокожестких СТМ-зондов является актуальной задачей.
МЕТОДИКА И УСТРОЙСТВО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЖЕСТКИХ СТМ-ЗОНДОВ МЕТОДОМ КОМБИНИРОВАННОГО ТРАВЛЕНИЯ ВОЛЬФРАМОВЫХ ЗАГОТОВОК
Анализ показал, что одним из наиболее перспективных материалов для изготовления СТМ-зондов методом травления является вольфрам, поэтому рассмотрим основные особенности этого процесса. Изготовление вольфрамовых ЗО посредством электрохимического травления применяется давно и имеет ряд преимуществ, таких как хорошая управляемость процессом изготовления, высокая скорость травления, полировка и очистка поверхности заготовки. Однако при этом возникает сложность изготовления атомарно острых ЗО, так как после разрушения заготовки в процессе электрохимического травления, полученные нановыступы (определяющие пространственное разрешение СТМ)
подвергаются электрохимической полировке. Последствия электрополировки ЗО можно минимизировать путем отключения электрического тока, но полностью избежать ухудшения качества ЗО при их изготовлении методом электрохимического травления в настоящее время невозможно. Основным достоинством химического травления является возможность сохранения атомарно острых нановыступов ЗО, так как этот процесс протекает значительно медленнее [3, 4]. Поэтому совмещение этих двух процессов является наиболее перспективным для изготовления высокожестких СТМ-зондов, поскольку, с одной стороны, можно использовать высокую скорость электрохимического травления для формирования шейки и повышения производительности изготовления СТМ-зондов, а с другой стороны, избежать электрохимической полировки нановыступов ЗО при химической стадии перетравливания шейки. Для получения высокожестких СТМ-зондов предложен следующий способ формирования макроформы его острия. На первом этапе заготовка из вольфрамовой проволоки травится некоторое время в пленке проточного электролита методом электрохимического травления и формируется начальная форма шейки заготовки (рис. 1, а). Затем с помощью специального привода заготовка перемещается вверх на небольшое расстояние (рис. 1, б) и процесс травления продолжается (рис. 1, в).
Рис. 1. Схема формирования многоступенчатых высокожестких СТМ-зондов
Далее процесс повторяется и формируемое при этом острие имеет многоступенчатую форму, что обеспечивает его высокую эксплуатационную жесткость. На втором этапе, когда шейка заготовки становится достаточно тонкой, начинается процесс маятникообразного колебательного движения нижней части заготовки под действием ее веса, который регистрируется блоком управления, осуществляющим переход на химическое дотравливание заготовки в том же растворе электролита для сохранения необходимых нановыступов.
Как известно, традиционно применяемые для изготовления игл туннельного микроскопа щелочные растворы KOH и NaOH не могут быть использованы для химического травления вольфрамовой проволоки. Для этих целей подходит красная кровяная соль KзFe(CN)6, плавиковая кислота (ОТ) и ряд растворов на основе плавиковой кислоты с растворами щелочей и кислот. При этом, скорость травления в смеси концентрированных кислот НЫ03 и ОТ в соотношении 1:3 определена экспериментально и составляет 12 мкм/мин. Необходимо отметить, что плавиковая кислота и растворы на ее основе являются очень токсичными. Поэтому этот электролит исключен из дальнейших исследований. Проведены испытания соли К^е(СЫ)6 (красная кровяная соль), которые показали, что она пригодна для химического травления вольфрама. Так, для 20%-ного раствора К^е(СЫ)6 скорость травления составляет 1,4 мкм/мин., а для 10% - 3,1 мкм/мин. Однако при этом скорость травления электрохимическим способом крайне невелика по сравнению с щелочными растворами. Использование смеси К^е(СЫ)6 с одной из щелочей
(КОН или ЫаОН) позволяет осуществлять травление вольфрама в двух режимах: химическом и электрохимическом. Для поиска оптимального соотношения компонентов раствора были определены динамические ВАХ для различных растворов в электрохимической ячейке. Анализ показал, что при использовании раствора К^е(СЫ)6
режим пассивации возникнуть не может, а по мере увеличения концентрации КОН диапазон напряжений, при которых возникает режим пассивации, увеличивается. В результате проведенных исследований был определен оптимальный состав раствора: смесь 10%-ных растворов КОН и К^е(СЫ)6 в соотношении 1:6 (с учетом скорости травления вольфрама).
Данная смесь обладает следующими преимуществами:
- возможностью осуществлять в одном растворе электрохимическое и химическое травление;
- высокой скоростью травления вольфрамовых заготовок СТМ-зондов при небольших напряжениях с высокими токами травления;
- возможностью задавать рабочую точку в диапазоне до 20 В (но возможно повышенное газообразование);
- малым диапазоном напряжений, при которых возможно возникновение режима пассивации.
На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема разработанного устройства для изготовления высокожестких игл при наклонном положении заготовки на первом этапе травления с автоматическим отключением процесса электрохимического травления.
а
1 - основание; 2 - блок микрометрической подачи заготовки; 3 - иглодержатель;
4 - вольфрамовая заготовка; 5, 6 - резервуары для питающего и отработанного электролита; 7, 8 - капиллярные трубки для подвода и стока электролита; 9 - медная пластина с отверстиями; 10 - ванна с проводящим раствором; 11 - микропроцессорный блок управления травлением
Рис. 2. Обобщенная структурная схема устройства изготовления высокожестких игл при наклонном положении заготовки
Устройство содержит неподвижное основание 1, на котором закреплены блок 2 микрометрической подачи заготовки с встроенным иглодержателем 3 и установленной в него вольфрамовой проволочной заготовкой 4, питающий резервуар 5 для свежего электролита и приемный резервуар 6 для стока отработанного электролита, капиллярные
трубки 7 и 8 для подвода и стока электролита, медная пластина с отверстиями 9, закрепленная на основании 1 под небольшим углом а (~10 - 30°), ванна 10 с проводящим раствором, микропроцессорный блок управления травлением 11. Устройство работает следующим образом. Сначала заготовка из вольфрамовой проволоки 4 устанавливается в иглодержатель 3 и вводится в центральное отверстие пластины 9. Блок 2 микрометрической подачи заготовки снабжен механизмом поворота, что позволяет зафиксировать заготовку под некоторым углом к вертикальной оси так, чтобы ее нижний конец находился на расстоянии 1 - 1,5 мм от поверхности проводящей жидкости ванны 9. Затем осуществляется электрохимическое локальное травление проволочной заготовки 4 в электроде из медной пластины 11 в ее центральном отверстии пленкой из проточного электролита, формируемой с помощью соединенных прорезями с центральным отверстием - двух боковых, предназначенных соответственно для подачи свежего и приема отработанного электролитов. При этом пластина 9 (из медного листа толщиной 0,2 мм и шириной 8 мм) является первым электродом, а заготовка из вольфрамовой проволоки - вторым (электрический контакт осуществляется через иглодержатель). По специальной программе микропроцессорного блока управления травлением 11 осуществляется формирование СТМ-зонда в виде последовательности ступеней с последующим образованием макроформы острия в виде шейки на последней ступени. Когда шейка заготовки становится настолько тонкой, что нижняя часть заготовки под действием собственного веса начинает маятникообразное колебательное движение относительно шейки, происходит ее касание с проводящим раствором ванны 9, которое регистрируется блоком управления 11 и на этом этап электрохимического травления завершается. Под действием блока управления поворотный механизм возвращает заготовку 4 в вертикальное положение и далее осуществляется химическое дотравливание заготовки до полного отрыва ее нижней части, что позволяет исключить процесс электрополировки, и дает возможность сохранить все атомарные нановыступы на кончике острия.
На рис. 3, а представлен общий вид устройства для изготовления игл с автоматическим отключением процесса электрохимического травления, на рис. 3, б - медная пластина с отверстиями и наклонным положением заготовки иглы.
Рис. 3. Внешний вид устройства для изготовления высокожестких игл с автоматическим отключением процесса электрохимического травления:
а) - общий вид устройства; б) - наклонное положение медной пластины и заготовки иглы
Для стабильного воспроизводства оптимального профиля зонда необходимо применение привода, обеспечивающего управляемость величиной и плавностью перемещений заготовки зонда.
Обеспечить такие характеристики могут пьезоэлектрические актуаторы, устанавливаемые непосредственно на винт блока микрометрической подачи заготовки. В качестве актуаторов могут применяться инерцоидные пьезоэлектрические приводы [5 - 7], имеющие относительную простоту конструкции и высокую точность перемещения.
1 со
—■-1
.
и 8
б)
Рис. 4. Блок микрометрической подачи заготовки зонда: а) - схема; б) - конструкция актуатора
6
3
7
9
Для использования возможностей инерцоидных приводов механическая подача должна быть лишена люфтов, для устранения которых могут использоваться винтовые или плоские пружины. В системе позиционирования, представленной на рис. 4, а, плоская пружина 1 установлена между парой винт-гайка 2, закрепленной на держателе 3. Заготовка 4, устанавливаемая на пружине 1, подается в область обработки с помощью винта или актуатора 5, устанавливаемого на винт.
Достоинство применения плоской пружины заключается в создании сухого трения между торцом винта и поверхностью пружины, необходимого для устойчивой работы инерцоида. Инерцоидный привод 5 (рис. 4, б) в простейшем случае состоит из основания 6 (с магнитом для крепления к винту 4), рамы 7, двух пьезоэлементов 8 и инерционных элементов 9. Пьезоэлементы изготовлены из звуковых мембранных пьезоизлучателей. Пьезоэлементы крепятся к раме винтами через отверстия в мембране, что упрощает сборку-разборку актуатора и обеспечивает возможность изменения положения пьезоэлементов. В качестве основных инерционных элементов используются неодимовые магниты, что позволяет оперативно нарастить инерционную массу за счет добавления дополнительных грузов. Блок микрометрической подачи, представленный на рис. 4, позволяет быстро установить заготовку в зону обработки с помощью ручного управления, а последующую обработку вести в режиме автоматической подачи с высокой точностью.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Таким образом, разработаны методика и устройство для изготовления высокожестких СТМ-зондов методом комбинированного травления, определены состав и соотношение смеси для травления вольфрамовой заготовки в комбинированном режиме (электрохимическое и химическое травление). На рис. 5, а, б представлены теоретические профили СТМ-зондов, полученные традиционным методом и методом многоступенчатого травления, а на рис. 5, в - профиль, полученный с применением разработанной установки. Анализ показал, что зонды, имеющие многоступенчатый профиль обладают гораздо более высокой жесткостью, что позволяет проводить стабильные исследования нанообъектов сканирующим туннельным микроскопом при самых высоких скоростях сканирования и работе в вязких средах. При этом сохраняется высокая разрешающая способность за счет сохранения атомарных нановыступов.
а)
б)
Рис. 5. Профили формируемого методом комбинированного травления СТМ-зонда: а) - традиционным методом; б) - методом многоступенчатого травления; в) - экспериментально
Применение в разработанном устройстве в качестве актуатора подачи инерцоидного привода позволяет получить ряд дополнительных преимуществ:
- установка зонда непосредственно на винт подачи позволяет реализовать вращательно-поступательную траекторию движения заготовки в зоне обработки для нивелирования изменений температуры и концентрации электролита в зоне обработки;
- инерцоидные приводы имеют, кроме шагового, асинхронный режим перемещений [8], позволяющий в автоматизированном режиме с высокой точностью контролировать степень погружения заготовки зонда в электролит для стабильного воспроизводства оптимального профиля зонда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюриков А. В., Шелковников Е. Ю., Гуляев П. В., Жуйков Б. Л., Липанов С. И. Исследование влияния макроскопической формы перетравливаемой шейки заготовки СТМ-зонда на его нанотопологию // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 3. С. 482-487.
2. Липанов А. М., Тюриков А. В., Шелковников Е. Ю., Гудцов Д. В., Гуляев П. В. Численные исследования микротопологии острия зондирующей иглы СТМ при его формировании электрохимическим методом // Ползуновский Альманах. 2006. № 4. С. 45-46.
3. Шелковников Е. Ю., Тюриков А. В., Жуйков Б. Л., Липанов С. И. Исследование влияния процесса теплопереноса на геометрическую форму острий СТМ-зондов в процессе их травления // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 6, № 4. С. 632-636.
4. Шелковников Е. Ю., Тюриков А. В., Гуляев П. В, Жуйков Б. Л., Липанов С. И. Исследование трехмерной диффузионно-конвективной модели химического травления зондирующих острий СТМ // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15, № 2. С. 304-309.
5. Быков В. А., Голубок А. О., Котов В. В., Сапожников И. Д. Инерционный двигатель // Патент РФ № 2297072, 2007.
6. Гуляев П. В. Низковольтный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступательного типа // Электротехника. 2014. № 7. С. 12а-16.
7. Гуляев П. В., Шелковников Ю. К., Тюриков А. В., Осипов Н. И. Высокоточный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступального типа // Электротехника. 2010. № 10. С. 8-11.
8. Гуляев П. В., Шелковников Е. Ю., Тюриков А. В. Асинхронный режим работы инерционного пьезоэлектрического привода // Ползуновский вестник. 2011. № 3-1. С. 86-88.
FEATURES OF PRODUCTION OF STM-PROBES FOR RESEARCHING THE NANOSCOPIC OBJECTS AT THE FAST MODES OF SCANNING
1'2Shelkovnikov E. Yu., 1Gulyaev P. V., 1Tyurikov A. V., 2Syakterev V. N.
1 Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
2 Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. In paper the technique and the device for manufacture atomically sharp high rigid STM-probes are considered with method of the combined etching of tungsten blanks with automatic shutdown of process of electrochemical etching. It is shown that in some cases when the research of nanoobjects in a tunnel microscope is made
with the high speed of scanning or in viscid environments, it is necessary to provide a high rigidity of the STM-probe when saving its main characteristics. It allows avoiding the considerable fluctuations of a tip of an edge bringing in the most adverse cases to resonance fluctuations that is inadmissible when carrying out STM-researches with high spatial resolution. For receiving high rigid STM-probes the next way of formation of a macroscopic shape of its edge is offered. At the first stage a tungsten wire blank is etched some time in a film of flowing electrolyte with method of electrochemical etching and the initial shape of a neck of the blank is formed. Then by means of the special drive the blank moves up to small distance and process of etching continues. Further process repeats and formed edge has the multistage form that provides its high operational rigidity. At the second stage when the neck of the blank becomes thin enough, process of pendulum oscillating motion begins of the bottom of the blank under the influence of its weight which is registered the control unit which is carrying out transition to a chemical etching of the blank in the same solution for preservation of necessary nanoscopic ledges. The structure and a ratio of mix for multistage etching of the tungsten blanks in the combined mode are defined. The analysis showed that the probes having a multistage profile have much higher rigidity that allows carrying out stable researches of nanoscopic objects using the scanning tunnel microscope at the most high speed of scanning and within viscid environments. At the same time high resolving ability remains due to preservation of atomic nanoscopic ledges. It is shown that application of the offered piezodrive as the actuator of supplying allows with a high precision in the automated mode to control degree of immersion of the blank of the probe in electrolyte for stable reproduction of an optimum profile of the probe.
KEYWORDS: scanning tunnel microscope, probe tip, combined etching, high rigid STM-probes.
REFERENCES
1. Tyurikov A. V., Shelkovnikov E. Yu., Gulyaev P. V., Zhuykov B. L., Lipanov S. I. Issledovanie vliyaniya makroskopicheskoy formy peretravlivaemoy sheyki zagotovki STM-zonda na ego nanotopologiyu [Research of the influence of the macroscopic shape of the etching neck of the STM probe blank at its nanoscale topology]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2015, vol. 17, no. 3, pp. 482-487.
2. Lipanov A. M., Tjurikov A. V., Shelkovnikov E. Yu., Gudcov D. V., Guljaev P. V. Chislennye issledovanija mikrotopologii ostrija zondirujushhej igly STM pri ego formirovanii jelektrohimicheskim metodom [Numerical studies mikrotopologii STM probe tip at its formation by electrochemical method]. Polzuovskij al'manah [Polzunovsky vestnik], 2006, no. 4. pp. 45-46.
3. Shelkovnikov E. Yu., Tyurikov A. V., Zhuykov B. L., Lipanov S. I. Issledovanie vliyaniya processa teploperenosa na geometricheskuyu formu ostrij STM-zondov v processe ih travleniya [Study of the influence of heat transfer on the geometric forms of the tip of STM probe while their etching]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2014, vol. 16, no. 4, pp. 632-636.
4. Shelkovnikov E. Yu., Tyurikov A. V., Gulyaev P. V, Zhuykov B. L., Lipanov S. I. Issledovanie trekhmernoy diffuzionno-konvektivnoy modeli khimicheskogo travleniya zondiruyushchikh ostriy STM [Features of applying the surface curvature detectors for analysis of the size of nanoparticles]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2013, vol. 15, no. 2, pp. 304-309.
5. Bykov V. A., Golubok A. O., Kotov V. V., Sapozhnikov I. D. Inertsionnyy dvigatel' [Inertial motor]. Patent RU2297072, 2007.
6. Gulyaev P. V. A low-voltage inertial piezoelectric drive of rotationally forward type. Russian Electrical Engineering, 2014, vol. 85, no. 7, pp. 429-433. https://doi.org/10.3103/S1068371214070050
7. Gulyaev P. V., Shelkovnikov Yu. K., Tyurikov A. V., Osipov N. I. Vysokotochnyj inercionnyj pezoehlektricheskij privod vrashchatelno-postupalnogo tipa [High-accuracy inertial rotation-linear piezoelectric drive]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2010, no. 10, pp. 8-11.
8. Gulyaev P. V., Shelkovnikov E. Yu., Tyurikov A. V. Asinhronnyj rezhim raboty inercionnogo pezoehlektricheskogo privoda [Asynchronous operating mode of inertial piezoelectric drive]. Polzunovskij almanah. 2011, no. 3-1, pp. 86-88. http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv2011_03_01/pdf/086gulyaev.pdf
Шелковников Евгений Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИМ УрО РАН, профессор кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, e-mail: iit@udman.ru
Гуляев Павел Валентинович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail:lucac@e-izhevsk.ru
Тюриков Александр Валерьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: alex. tyurikov@mail. ru
Сяктерев Виктор Никонович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, e-mail: syaktereva_vika@,mail. ru
