Ombrage à faible angle Atomic-Terrace - Atomic-terrace low-angle shadowing

L'ombrage à faible angle de terrasse atomique ( ATLAS ) est une technique de science de surface qui permet la croissance de réseaux de nanofils ou de nanopots planaires en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire sur une surface vicinale . ATLAS utilise la structure en gradins et en terrasse inhérente de la surface comme modèle pour de telles nanostructures . La technique implique l'incidence à faible angle du matériau de flux sur des substrats vicinaux. Les substrats vicinaux sont composés de terrasses atomiques séparées par des étapes atomiques. La technique ATLAS permet la fabrication de réseaux planaires bien définis de nanostructures plasmoniques , de dimensions irréalisables par lithographie .

Un faisceau collimaté d' atomes ou de molécules est évaporé à un angle oblique par rapport au substrat. Ceci amène les marches à "ombrer" le faisceau, et les molécules à être adsorbées uniquement sur les parties exposées des marches en ligne directe de vue de l' évaporateur .

L'attrait principal de cette technique est sa simplicité relative, car elle ne comporte pas plusieurs lithographie étapes et peut être appliquée à un métal , semi - conducteurs ou l' oxyde Alike surfaces.

La technique est une approche « ascendante » et permet un grand contrôle sur la séparation des nanostructures au sein du réseau, ainsi que sur leurs largeurs individuelles. La séparation est contrôlée par la taille des terrasses atomiques du substrat, qui est déterminée par sa mauvaise coupe par rapport à l' indice principal ; et la largeur des nanostructures est contrôlée par l'angle oblique du dépôt.

ATLAS s'est avéré être une technique très polyvalente, avec la croissance de nanofils et de nanopoints métalliques , semi-conducteurs et magnétiques démontrée en utilisant une variété de matériaux et de substrats sources.

Principes de base

Schéma montrant les modèles de dépôt «descente» et «montée» utilisés dans ATLAS
Figure 1. Dépôt sous un angle faible sur une surface vicinale (a) dépôt de nanostructures sur les bords extérieurs de la marche; faisceau à un angle β le long de la direction "descente", (b) le substrat est tourné de 180 ° et le faisceau est dirigé dans la direction "montée".

La figure 1 (a) montre un schéma du dépôt dans la direction "descente", c'est-à-dire depuis un bord extérieur de marche vers une terrasse inférieure. L'angle de dépôt β entre le faisceau et la surface est petit (1 ° -3 °) de sorte que certaines zones des terrasses sont exposées au faisceau, et d'autres sont géométriquement ombrées .

L'angle de dépôt β détermine la largeur des nanostructures, selon la relation suivante:

w est la largeur de la nanostructure, a est la hauteur d'un pas, α est l'angle de coupe et β est l'angle de dépôt entre le faisceau incident et la surface ( α et β sont supposés être petits et sont mesurés en radians).

La figure 1 (b) montre une situation similaire, mais cette fois avec le substrat tourné de 180 ° de telle sorte que le faisceau incident est maintenant dans la direction "ascendante", et presque parallèle à la surface. Dans ce cas, les faces en gradins fournissent les sites de liaison et le matériau déposé croît le long des marches, de manière similaire au mécanisme de croissance à flux progressif .

Afin de faire croître des nanofils d'une largeur de quinze nanomètres ou moins, la température de dépôt pour les deux orientations doit être choisie de telle sorte que le libre parcours moyen des adatomes sur la surface soit limité à quelques nanomètres.

Développement expérimental

Le système ATLAS a été développé au sein du groupe de physique appliquée de la School of Physics , Trinity College, Dublin . La procédure expérimentale est relativement simple, par rapport à la lithographie ou à d'autres approches, ce qui signifie que seul un équipement standard est nécessaire.

Le montage consiste en une chambre à ultra-vide (pression de base dans la plage basse de 10-10 Torr ), avec l'échantillon monté à une grande distance de travail (40-100 cm ) de la source d'évaporation. Cette grande distance fournit la collimation élevée requise pour la technique ATLAS. L'échantillon lui-même est monté sur une platine de rotation et peut être incliné de 200 ° avec une précision de ± 0,5 °.

Le substrat peut être chauffé pendant le dépôt en faisant passer un courant continu à travers l'échantillon pour les semi - conducteurs ou en commandant le courant à travers une feuille chauffante séparée sous le substrat pour les oxydes isolants .

Polyvalence

Les capacités du système ont d' abord été testés par des réseaux de croissance de 10 à 30 nm de large nanofils métalliques sur deux types de substrats vicinaux, étape groupés Si ( 111 ) et α-Al 2 O 3 ( 0001 ). Le dépôt d' Au et d' Ag sur ces substrats donne des réseaux de fils d'une largeur et d'une hauteur de 15 nm et 2 nm, et séparés d'environ 30 nm.

Depuis son introduction en 2008, ATLAS a été démontré comme une technique simple pour produire des nanofils d'une variété de matériaux jusqu'à une largeur de 15 nm et une épaisseur de 2 nm, sur plusieurs substrats étagés.

Limites

Bien qu'ATLAS soit une technique polyvalente, certaines limitations existent. La croissance initiale des nanofils est nucléée sur certains sites d' adsorption préférentiels . Cela peut former des graines épitaxiales , qui poussent indépendamment les unes des autres, jusqu'à ce qu'elles se rencontrent, ce qui forme un fil polycristallin global . Cette polycristallinité peut affecter la stabilité du fil lorsqu'il est exposé à l'air et peut augmenter la résistance en raison de sa nature défectueuse . C'est un sujet de recherche en cours pour augmenter l'épitaxialité des nanofils par appariement de réseau , ou augmenter la mobilité initiale par chauffage du substrat.

Malgré ces limitations, les résultats d'ATLAS d'une largeur de 15 nm représentent une réduction d'environ cinq fois de la taille par rapport aux autres techniques à faible angle.

Les références