Diese Arbeit wurde durch einen Auftrag von DARPA (N66001-08-C-2040) und durch einen Zuschuss aus dem Emerging Technology Fund des Staates Texas unterstützt. Die Autoren möchten Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl und Tom Scharf für ihre Beiträge zur selektiven Atomlagenabscheidung bezogene sowie Wallace Martin und Gordon Pollock für Ex-situ-Probenverarbeitung quittieren.

1. Ex-Situ-Probenvorbereitung <ol><li> Bereiten Chips <ol><li> Gestalten Sie geeignete Ätzmaske Identifizierung von Markern in der Si (100) Wafer zu setzen. Verwendung von Standardphotolithographie und RIE, geätzt ein Gitter aus Linien als Bezugsmarkierungen in den Wafer aus dem STM Proben entnommen. Die Linien sollten 10 &amp; mgr; m breit, 1 &amp; mgr; m tief, und im Pitch von 500 um. Nach dem Ätzen Streifen verbleibende Photoresist von Probe. Hinweis: Die Bezugsmarken sind identifizierbar in situ für Spitze Stelle auf der Probe sowie in AFM und SEM während der Messtechnik sein. </li><li> Schützen Waferoberfläche durch Anwendung von Standard Tack blau Schneidband, klebrigen Seite nach unten. </li><li> Dice Wafer in Chips mit einer Diamantspitze Keramik Trennsäge in Größen für die spezifische UHV-STM-Tool verwendet werden, um geeignete HDL durchzuführen. Hier wurden die Proben 8,1 mm x 8,1 mm Quadraten. </li></ol></li><li> Nach dem Schneiden, bereiten Chip zur Einführung in UHV-STM Strukturierungswerkzeug vorsichtigAbziehen des Dicing-Band, kümmert sich nicht um Chips mit beliebigen nickelhaltigen Werkzeuge, die eine ungünstige Oberflächenrekonstruktion nach UHV prep in Abschnitt 2 unten veranlassen wird zu berühren. <ol><li> Sauber Chip durch Spülen der Vorderfläche für jeweils 10 sec mit Strömen von Aceton, Isopropylalkohol, Methanol und deionisiertem Wasser, jeweils während des Greifens der Seiten der Probe mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Pinzette. Schließlich trocken mit hochreinem N 2 oder Ar, noch Greifen mit Teflon Pinzette. </li><li> Berg Probe Chip in STM Probenhalter mit für die spezifische UHV-STM Werkzeug geeignete Methoden für HDL benutzt werden. <ol><li> Bei Montage in einer nickelhaltigen Probenhalter, schneiden Tantalfolie Sperrstreifen (appx. 4 mm vom Probenhöhe) unter Verwendung von Titan Schere. Sonikat Folienstreifen jeweils 5 min in hochreinem Aceton, Isopropylalkohol, Methanol und DI-Wasser auf. Dry mit hochreinem N 2 -Gas durch teilweise überdeckt ein Becherglas mit Aluminiumfolie und spritzening N 2 Düse in die Öffnung. Gas fließen, bis alle Flüssigkeit verdampft ist. Verwendung nickelfrei Pinzette Form Folie um Enden der Probe dann in Probenhalter zu klemmen, um Vorder- und Rückseite der Probe Probenhalter zu isolieren. </li></ol></li><li> Nach der Montage, Plasma sauber Probe und Probenhalter in Sauerstoffplasma zu Kohlenstoff Verunreinigungen zu entfernen. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Probenvorbereitung <ol><li> Einzuführen Probe in UHV-System über Ladungsschleusen oder anderen bevorzugten UHV-sichere Methode, so dass der UHV Verarbeitung und HDL kann in der Regel bleiben unter 1,3 x 10 -9 mbar (außer Schritt 2.5.1.1 unten). </li><li> Entgasen O / N bei 650 ° C, die Temperaturüberwachung mit einem Pyrometer. Sicherzustellen, dass der Kammerdruck innerhalb von 25% des Hintergrundes. In dem hier beschriebenen Fall sind typische Hinterdrücke ungefähr 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Entgasen Wolfram Wasserstoff Crack Filament bei 1.500 ° C für 5 min.Aktivieren Titansublimationspumpen wenn möglich. </li><li> Führen Probe &quot;Flash&quot; Zyklus. <ol><li> Flash Probe durch Erhitzen auf 1250 ° C für 20 sec, Überwachung T mit Pyrometer und mit einem 10 ° C / sec Aufheizgradienten. Haben einen maximalen Druck von 7 x 10 -9 mbar nicht übersteigt. Coole indem Heizstrom in weniger als 5 Sekunden. </li><li> Rest Probe bei 350 ° C für 5 min. damit Druck auf den Ausgangswert wiederherstellen. 3x wiederholen. </li></ol></li><li> Führen Probe Passivierung. <ol><li> Gesetzt Probentemperatur auf 350 ° C unter Verwendung eines Pyrometers, um die Temperatur zu überwachen. Einführung 1.3 x 10 -6 mbar ultrareines H 2 in prep Raum mit Leckventil. <ol><li> Legen Sie eine Kühlfalle auf der H 2 Linie sehr nahe eines Lecks Ventil im System, um weiter zu reinigen H 2. </li><li> Wenn möglich, Pumpensystem mit Hochgeschwindigkeitsturbopumpe anstelle eines Ionenpumpe. Dies ist, so dass die Ionenpumpe nicht die Probe entfernt, expo verunreinigenzu den hohen Druck und Auswerfen Verunreinigungen sed. Die Pumpen werden wieder in den Normalzustand (350 ° C) gesetzt, nachdem die meisten der Wasserstoff entfernt wurde und die Probe noch warm ist. </li></ol></li><li> Schalten Sie Wolfram Wasserstoffcrack Filament auf eine Temperatur von 1.400 ° C für 12 min, schalten Sie Filament und H 2 Gasstrom dann. Coole Probe RT. </li></ol></li></ol> 3. Rastertunnelmikroskopie und Lithografie <ol><li> Übertragen Probe STM und Probe und STM-Spitze bringen in Tunnelbereich. Verwendung einer Kamera mit Auflösungsvermögen von besser als ein 20 &amp; mgr; m Punktgröße, nehmen Sie hochauflösende optische Bild der Spitze-Probe-Kreuzung. Ausrichten und die Größe des optischen Bildes, so dass es eine unverzerrte Wiedergabe der Markierungszeichen darstellt. </li><li> Entfernen Sie das Beleuchtungssystem zur thermischen Instabilitäten zu reduzieren. Bestimmen Sie die Oberflächenqualität. <ol><li> Mit herkömmlichen STM-Techniken mit Beispiel Vorspannung von -2,25 V und 200 pA, identifizieren die tauber von Defekten auf der Oberfläche. </li><li> Wenn Oberflächenfehler sind unter ein annehmbares Niveau, um zum nächsten Schritt. Maximale annehmbare Defektstufen sind wie folgt: freie Bindungen von 1%; Si Stellenangebote von 3%; Verunreinigungen von 1%. </li></ol></li><li> Design HDL-Muster erzeugt werden, einschließlich sowohl experimentelle als Muster und groß ist (1 um x 1 um) serp Identifikationsmuster. SERP-Muster sollte mit einem langen Vektor Achse senkrecht zu erwarten AFM schnelle Scanachse gezogen werden, mit einem Abstand von 15 bis 20 nm. Fracture Gesamtmuster in grundlegende Formen, um den Pfad, gefolgt von der Spitze bei der Anwendung HDL Bedingungen zu definieren. 24 </li><li> Verwendung von Vektor-Ausgänge von der vorherigen Stufe durchzuführen HDL mittels FE-Modus Lithographie für große Flächen mit Probenspannung von 7-9 V, Stromstärke von 1 nA und 0,2 mC / cm und AP-Modus Lithographie für kleine Flächen oder jene Bereiche erfordern atomarer Präzision Rändern . 24 <ol><li> Bestimmen Sie die optimale AP-Modus Lithographie Bedingungen performing HDL mit einer Vielzahl von mit Probenspannung von 3,5 bis 4,5 V, Strom im Bereich von 2 bis 4 nA und Zeilen Dosierungen im Bereich von 2 bis 4 mC / cm. Wählen Sie Bedingungen, die die engsten vollständig depassiviert Linie zu erzeugen. </li></ol></li><li> Führen STM Metrologie auf Wunsch HDL gemusterten Bereiche durch Bildgebung bei -2,25 V Probenspannung und 0,2 nA Tunnelstrom. <ol><li> [Optional] Führen Sie die Fehlerkorrektur. Nach STM Messtechnik, vergleichen Depassivierung Muster in den STM-Bilder mit dem gewünschten Muster aus Schritt 3.5. Wenn irgendwelche Bereiche zeigen unzureichende baumelnde Bindungsbildung, wiederholen Sie den Lithographie-Zyklus in diesen Bereichen. </li></ol></li><li> Nach Abschluss STM HDL, lösen Spitze von Probe und zu bewegen Probe Schloss laden. </li><li> Vent und Probe zu entfernen. Während Entlüftungs mit hochreinem N 2, zu schützen Probe durch Kontaktieren mit inerten, flachen Substrat, wie sauber Saphir. 29 Nach Oberflächenschutz, in der Nähe zu allen Ventilen Pumpen einzuführen dann Abluftgas als quicKly wie möglich. Entfernen Probe aus System. </li></ol> 4. Proben Transport <ol><li> Entfernen Probe von Ladesperre. Lassen Sie Probe Probenhalter, einschließlich, wenn möglich, das Entfernen der Folienbarriere Stücke. Verwendung von PTFE (oder Ti) Pinzette, bewegen Probe-Transporter, halten Vorderseite Probe geschützt, Sie versuchen, Atmosphäre Exposition gegenüber weniger als 10 Minuten zu halten. </li><li> Installieren Abdeckung über Probe und eine Probe unter Druck Transporter lose montieren. Flush mit hochreinem Ar für 1 min. Zu evakuieren nicht System an einer beliebigen Stelle oder Oberflächenschäden auftreten können. 29 Schließlich Dichtung Probe-Transporter mit einem kleinen positiven Druck (~ 50-100 mbar) von Ar so dass die Probe für bis stabil bleibt zu einem Monat. </li></ol> 5. Atomic Layer Deposition <ol><li> Stellen Sie sicher, die ALD ist bei der richtigen Abscheidungstemperatur (100 ° C). Erhöhen Sie langsam die Argondruck in der ALD-Kammer, bis Atmosphärendruck erreicht worden ist. </li><li> Öffnen ALD-Kammer. </li><li> Offene Probe-Transporter und schnell zu übertragen, um ALD-Kammer unter Verwendung eines Paares von PTFE Pinzette Ergreifen der Probe auf der Kante, und schließen Sie das ALD-Kammer und Spülen mit einem Strom von Argon bei einem Druck von &lt;2 x 10 -1 mbar 1 h zum Entgasen der Probe. Legen Sie einen Prozess zu 80 wiederholte Zyklen von ALD durchführen, um 2,8 nm von amorphem Titandioxid wachsen. <ol><li> Verwendung eines nicht-modifizierten kommerziellen ALD-System bei einer Probentemperatur von 100-150 ° C, mit Titantetrachlorid (TiCl 4) und Wasser (H 2 O) als Vorläufer führen Abscheidung mit den Reaktanten bei Drücken von 0,3 mbar und 0,8 mbar, mit Pulszeiten 0,1 s und 0,05 s auf. 27 </li><li> Im Anschluss an jede Gaspuls, spülen den Reaktor mit Ar für 60 sec bei 0,2 mbar bis minimal Hintergrund Abscheidung aufgrund physisorbierte Reaktanden zu gewährleisten. Für die Masken in dieser Arbeit werden 80 ALD-Zyklen verwendet, um etwa 2,8 nm von amorphem Titandioxid bei 100 ° C wachsen. </li></ol&gt; </li><li> Langsam entlüften ALD-Kammer mit Ar-Gas und offen. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol> 6. Atomic Force Microscopy (AFM) <ol><li> Stellen Sie sicher, korrekte Kalibrierung des AFM gemäß dem Protokoll des Herstellers. Offene Probe-Transporter und entfernen Sie vorsichtig Probe mit einer Pinzette. </li><li> Nach dem Entfernen von Transporter, sicher installieren Sie die Probe in die AFM mittels eines mechanischen Befestigungsverfahren, wie ein Spannsystem, wenn möglich. Fokussieren Sie die AFM-Kamera auf die Probe, und suchen Sie die Bezugsmarkierungen auf der Probenoberfläche, um die AFM-Spitze auf das Muster auf der Grundlage der optischen Messtechnik in Schritt 3.2 auszurichten. </li><li> Stellen Sie sicher, dass die AFM-Einstellungen werden sowohl die Höhe als auch Phaseninformation zeigen, und stellen Sie die Scangröße zu sein, zwischen 20 und 40 &amp; mgr; m breit. Aktivieren Sie die AFM-Spitze auf die Probe. </li><li> Verwenden Sie die Höhe und Phaseninformation bei höchster Auflösung scannen, bis der Ortungsmuster-Region identifiziert. Untersuche den gemusterten region und suchen Sie den Bereich, in dem ein Bild erwünscht ist. </li><li> Nehmen Sie ein Bild von den gewünschten Bereichen mit der entsprechenden Bildqualität und Auflösung (in der Regel die höchste möglich). Sobald alle gewünschten Bereiche gescannt wurden, lösen Sie die Spitze aus der Probe. Entladen Sie die Probe. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol> 7. Reactive Ion Etching <ol><li> Chill kapazitiv gekoppelten RIE-Reaktor bis -110 ° C, dann die Probe zu laden in ihre intro Kammer und Pumpe bis zu 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Stabilisierung der Temperatur für 3 min. Schalten Sie dann das Gas auf mit Durchflussraten von O 2 bei 8 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) Ar bei 40 sccm und SF 6 bei 20 sccm. </li><li> Treffer Plasma unter Verwendung einer 150 W Hochfrequenz-Entladung und dann den Gasstrom zu modifizieren, um für 1 Minute unter Verwendung von SF 6 bei 52 sccm und O 2 bei 8 sccm ätzen. Wechselwirkung dieser Gase mit Si mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 nm / min geätzt. 30 </sup&gt; </li><li> Pumpenvakuum bis 7,5 x 10 -6 mbar. Vent RIE-System. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 und 4.2 für die Probentransport. </li></ol></li></ol> 8. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) <ol><li> SEM Proben Montage und Einführung der Probe auf System. <ol><li> Zeigen nicht klebenden Probenträger in einer günstigen Lage, um Proben Montage zu erleichtern. </li><li> Offene Probe-Transporter und entfernen Sie vorsichtig Probe mit einer Pinzette, um die Probe durch die Kanten greifen und sicher zu installieren in SEM Halterung, dann vorstellen Probenanordnung in SEM. </li><li> Vent und offene SEM Kammer. Proben Montage sicher zu installieren, um die SEM Probentisch. Abpumpen SEM Kammer. </li></ol></li><li> Suchen Sie die Passermarken. <ol><li> Bringen Sie die Vergrößerung auf möglichst niedrigen Wert. Wählen Sie die Beschleunigungsspannung und Strahlstrom-Einstellungen, die eine gute Auflösung geben. Beginnen Sie mit niedrigste annehmbare Einstellungen. Go up nach Bedarf. </li><li> Einschalten des Elektronenstrahls. Bringen Sie die allgemeinen Regionvon Interesse empfohlen, Arbeitsabstand und euzentrischen Höhe. </li><li> Suchen und sich auf in Abschnitt 1.1 beschriebenen Bezugsmarkierungen. Passen Sie Arbeitsabstand nach Bedarf. Optimieren Sie den Fokus, Helligkeit und Kontrast. </li></ol></li><li> Suchen Sie und Bild die Muster. <ol><li> In Bezug auf die Referenzpunkte, suchen Sie die Muster auf der Grundlage der optischen Messtechnik von Ziffer 3.2 und AFM Messtechnik von Abschnitt 6. Um die Kohlenstoffablagerung auf Muster zu minimieren, mit der Nähe nicht wesentlichen Funktionen optimiert Fokus. Sobald optimiert, um die Muster zu bewegen und zu erwerben Draufsicht Bilder und Messungen. </li><li> Wenn nötig, kippen Sie die Probe für die 3D-Bilder und Muster Höhenmessungen. Für andere Muster, wiederholen von 8,3, wie gebraucht. </li></ol></li><li> Führen Sie SEM-System Abschluss-Routine und Absteigen Probe / s, wie durch die SEM Hersteller vorgeschrieben. Sichern Sie die Probe wieder in den Transporter. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 4.3 und 4.4 für die Proben Transport und Lagerung. An dieser Stelle werden die Proben robust und kannauf unbestimmte Zeit gelagert werden. Führen Sie nach der Bildaufzeichnung analysiert, wenn nötig. </li></ol>

<ol>
	<li>Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-dimensional+systems:+quantum+size+effects+and+electronic+properties+of+semiconductor+microcrystallites+(zero-dimensional+systems)+and+some+quasi-two-dimensional+systems.">Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems.</a> Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).</li><li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+Clusters,+Nanocrystals,+and+Quantum+Dots.">Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.</a> Science. 271 (5251), 933-937 (1996).</li><li>Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoelectromechanical+Systems.">Nanoelectromechanical Systems.</a> Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).</li><li>Dai, M. D., Kim, C. -. W., Eom, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+size+effect+on+nanomechanical+mass+detection:+the+role+of+surface+elasticity.">Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity.</a> Nanotechnology. 22 (26), 265502 (2011).</li><li>Personick, M., Mirkin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+sense+of+the+mayhem+behind+shape+control+in+the+synthesis+of+gold+nanoparticles.">Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).</li><li>Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Characterization+of+Programmable+DNA.">Design and Characterization of Programmable DNA.</a> Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon-based+molecular+nanotechnology.">Silicon-based molecular nanotechnology.</a> Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).</li><li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positioning+single+atoms+with+a+scanning+tunnelling+microscope.">Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope.</a> Nature. 344, 524-526 (1990).</li><li>Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+cascades.">Molecular cascades.</a> Science. 298, 1381-1387 (2002).</li><li>Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confinement+of+Electrons+to+Quantum+Corrals+on+a+Metal+Surface.">Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface.</a> Science. 262 (5131), 218-220 (1993).</li><li>Shen, T. -. C., Wang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-Scale+Desorption+Through+Electronic+and+Vibrational+Excitation+Mechanisms.">Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms.</a> Science. 268, 1590-1592 (1995).</li><li>Randall, J. N., Lyding, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+precision+lithography+on+Si.">Atomic precision lithography on Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).</li><li>Tong, X., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-induced+H+atom+desorption+patterns+created+with+a+scanning+tunneling+microscope:+Implications+for+controlled+atomic-scale+patterning+on+H-Si(100).">Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100).</a> Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).</li><li>Hitosugi, T., Hashizume, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Tunneling+Spectroscopy+of+Dangling-Bond+Wires+Fabricated+on+the+Si(100)-2x1-H+Surface.">Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface.</a> Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).</li><li>Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soliton+effects+in+dangling-bond+wires+on+Si(001).">Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001).</a> Phys. Rev B. 68, 115318 (2003).</li><li>Wolkow, R. A., Livadaru, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Beyond-CMOS Electronics. , 1-28 (2013).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+selective+chemistry+of+silicon+surfaces+by+ultrahigh-vacuum+scanning+tunneling+microscopy.">Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy.</a> Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).</li><li>Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+Atomic+Layer+Epitaxy+of+Si+/+Si(001):H.">Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201 (2011).</li><li>Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Von+Using+patterned+H-resist+for+controlled+three-dimensional+growth+of+nanostructures.">Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures.</a> App. Phys. Lett. 98 (16), 163102 (2011).</li><li>Ye, W., Pe&#241;a Martin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+writing+of+sub-5+nm+hafnium+diboride+metallic+nanostructures.">Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures.</a> ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).</li><li>Brien, J. L., Schofield, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunnelling+microscope+fabrication+of+arrays+of+phosphorus+atom+qubits+for+a+silicon+quantum+computer.">Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer.</a> Smart. 11 (5), 741-748 (2002).</li><li>Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam-induced+deposition+of+3-nm-half-pitch+patterns+on+bulk+Si.">Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Sisson, T. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimode+hydrogen+depassivation+lithography:+A+method+for+optimizing+atomically+precise+write+times.">Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01 (2013).</li><li>Randall, J. N., Ballard, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+precision+patterning+on+Si:+An+opportunity+for+a+digitized+process.">Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process.</a> Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).</li><li>Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactivity+of+selectively+terminated+single+crystal+silicon+surfaces.">Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).</li><li>McDonnell, S., Longo, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+Atomic+Layer+Deposition+of+Titanium+Dioxide+on+Silicon:+Dependence+on+Surface+Termination.">Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination.</a> The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).</li><li>Kane, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+cleaning+of+metal+surfaces.">Plasma cleaning of metal surfaces.</a> J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567 (1974).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-level+study+of+the+robustness+of+the+Si(100)-2&#215;1:H+surface+following+exposure+to+ambient+conditions.">Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2&#215;1:H surface following exposure to ambient conditions.</a> App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).</li><li>Agostino, R., Flamm, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+etching+of+Si+and+SiO2+in+SF6&#8211;O2+mixtures.">Plasma etching of Si and SiO2 in SF6&#8211;O2 mixtures.</a> J. App. Phys. 52 (1), 162 (1981).</li><li>Longo, R. C., McDonnell, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selectivity+of+metal+oxide+atomic+layer+deposition+on+hydrogen+terminated+and+oxidized+Si(001)-(2&#215;1)+surface.">Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2&#215;1) surface.</a> J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112 (2014).</li><li>Ruess, F. J., Oberbeck, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+etched+registration+markers+to+make+four-terminal+electrical+contacts+to+STM-patterned+nanostructures.">The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures.</a> Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).</li><li>Ruess, F. J., Pok, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+Atomically+Controlled+Dopant+Devices+in+Silicon.">Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon.</a> Small. 3 (4), 563-567 (2007).</li><li>Li, K., Namboodiri, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+formation+of+atomic+step+morphology+on+micropatterned+Si+(100).">Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100).</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pattern+transfer+of+hydrogen+depassivation+lithography+patterns+into+silicon+with+atomically+traceable+placement+and+size+control.">Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804 (2014).</li><li>Gusev, E. P., Cabral, C., Copel, M., D&#8217;Emic, C., Gribelyuk, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U+ltrathin+HfO+2+films+grown+on+silicon+by+atomic+layer+deposition+for+advanced+gate+dielectrics+applications.">U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications.</a> Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Darstellende Messtechnik auf den oben beschriebenen Nanostrukturen erfordert die Fähigkeit, um die Spitze Positionierung während HDL und Muster Standort mit anderen Tools wie AFM und SEM überbrücken. Im Gegensatz zu anderen gut entwickelten Strukturierungswerkzeuge mit hochauflösenden Positionscodierung, wie Elektronenstrahllithographie wurde das HDL hier durchgeführt mit einer STM ohne gut kontrolliert Grobpositionierung durchgeführt, so dass zusätzliche Positionsidentifikations Protokolle verwendet wurden, wie...

Nanotechnologie wird in einer Vielzahl von Stadien, das Verständnis der Strukturen wichtiger gebildet gewinnt an Bedeutung, vor allem im Bereich der Lithographie und Elektronik. Um die Bedeutung der Metrologie im Nanostreichen, und zwar im Maßstab von weniger als 10 nm, sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Variation der Merkmalsgröße von nur 1 nm zeigt eine gebrochene Variante mindestens 10%. Diese Variante kann erhebliche Auswirkungen auf die Geräteleistung und Materialcharakter haben 1,2 -. 4 Verwenden Synthesemethoden, sehr genau gebildet einzelnen Funktionen wie Quantenpunkten oder anderen komplexen Molekülen hergestellt werden, aber in der Regel fehlt 2,5,6 die gleiche Präzision in Funktion Anordnung und Ausrichtung trotz Arbeit zur Verbesserung der Größe und Platzierung Kontrolle. Dieses Papier zeigt einen Ansatz zur Herstellung von Nanostrukturen mit in der Nähe von Atomgröße Präzision und atomarer Präzision in Funktion Platzierung sowiemit atomarer Messtechnik in Funktion Platzierung. Verwendung der Atom Präzision Rastertunnelmikroskop (STM) induziert Hydrogen Depassivierung Lithography (HDL), atomar präzise Muster mit chemisch empfindlichen Kontrast auf einer Oberfläche gebildet. Selektive Atomic Layer Deposition (ALD) wendet dann eine harte Oxidmaterial in den gemusterten Bereichen mit Reactive Ion Etching (RIE) schließlich Übertragen der Muster in das Schüttgut, wie schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Die Kombination der hochpräzisen HDL Prozess mit dem Standard ALD und RIE-Prozesse ergibt eine flexible Methode zur Nanostrukturen auf einer Oberfläche mit beliebiger Form und Positionierung zu erzeugen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Abbildung 1. Primäre Nanofabrication Prozessschritte. Als ein Beispiel kann eine 200 nm x 200 nm Quadrat dargestellt. Jede eingekreisten Pfeil zeigt einen Schritt des atmosphärischen Exposition und transport zwischen Standorten. Nach UHV Probenvorbereitung wird die Probe mit UHV HDL gefolgt von STM Metrologie (oben links) strukturiert. ALD wird dann durchgeführt, gefolgt von AFM Messtechnik (rechts). RIE überträgt die Muster in Si (100), gefolgt von SEM Messtechnik (unten links). <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Die genaueste Lithographie bisher in der Regel beinhaltet Rastersondentechniken, speziell STM-basierte Strukturierung wo atomarer Auflösung Strukturierung und Funktionalisierung hat für viele Anwendungen demonstriert. 7 Zuvor hat Atom Manipulation produziert Nanostrukturen in höchster Präzision durch die Verwendung einzelner Atome als Bausteine, 8 , 9,10, aber die erforderlichen kryogenen Bedingungen und damit Nanostrukturen fehlten langfristige Stabilität. RT Atom Manipulation durch Entfernen der Wasserstoffatome von der Oberfläche hat sich gezeigt, specifically HDL. 11,12,13 HDL verspricht neue Klassen von elektronischen und anderen Geräten auf der Grundlage der räumlichen Lokalisierung der Oberflächenkontrast zu ermöglichen. Verwendung HDL ohne weitere Verarbeitung sind verschiedene Gerätearchitekturen möglich, einschließlich der dangling bonds Drähte oder Logikvorrichtungen. 14,15,16 Zusätzlich zur Bereitstellung elektrischer Gegensatz HDL können chemische Kontrast auf der Oberfläche, wo die passi H Schicht entfernt wurde einführen, effektiv Erstellung einer Vorlage für die weitere chemische Modifikation. Diese chemische Modifikation auf Silizium und anderen Oberflächen nachgewiesen, welche die Selektivität für die Abscheidung von Metallen, Isolatoren 17, 18 und sogar Halbleiter. 16,19 Jedes dieser Beispiele erzeugt zweidimensionale Strukturen, so dass die anderen Verarbeitungsschritte sind getreu verwendet werden drei dimensionalen Strukturen mit der atomar aufgelösten Steuer von HDL versprochen. Bisher hat dies erforderlich wiederholte Musterung, 19,20,21 Glühen, 22 </sup&gt; oder weniger gut gelöst Prozesse wie Tipp-basierte e-beam induzierte Abscheidung. 23 Ähnlich wie Elektronenstrahllithographie verwendet HDL eine lokalisierte Elektronenfluss zu belichten ein Resist. Mehrere Ähnlichkeiten bestehen, wie beispielsweise die Fähigkeit, Multi-Mode-Lithographie mit variabler Punktgröße und Strukturieren Effizienz durchzuführen. 24 Allerdings ist die wahre Macht der HDL ergibt sich aus, wie es von Elektronenstrahllithographie unterscheidet. Erstens, die wider in HDL ist eine Monolage von atomarem Wasserstoff, so dass wider Exposition zu einem digitalen Prozess; der Resist-Atom entweder ist oder nicht vorhanden ist. 25 Da die H-Atom Platzierung entspricht dem zugrundeliegenden Si (100) Gitter die HDL Prozess kann eine atomar präzisen Prozess sein, obwohl es zu beachten, dass in diesem Papier die HDL hat Nanometer-Präzision, wie werden um mit den Ordnungs Perfektion und damit gegenüber ist nicht digital in diesem Fall. Da die Elektronenquelle in HDL lokal auf der Oberfläche, die verschiedenen Modi des STM zu erleichtern sowohlDurchsatzoptimierung sowie Fehlerprüfung. Am Spitze-Probe Vorurteile unter ~ 4,5 V kann Lithographie am einzelnen Atom-Ebene mit atomarer Präzision, wie Atomar Precise-Modus (AP Modus) bekannt durchgeführt werden. Im Gegensatz zu oben vorspannt ~ 7 V, die Elektronen direkt von der Spitze zu der Probe mit breiten Linienbreite und hohe Effizienzen Depassivierung, die hier als Feldemissionsmodus (FE-Modus) bekannt emittiert. HDL Durch kann dann durch geschickte Kombination dieser beiden Betriebsarten optimiert werden, obwohl die Gesamtdurch klein relativ zu regeln bleibt Strukturieren bis zu 1 &amp; mgr; m 2 / min möglich, Elektronenstrahllithographie. Wenn die Vorspannung ist, so dass umgekehrt die Probe bei ~ -2.25 V, tunneln Elektronen von der Probe zu der Spitze mit extrem niedrigen Depassivierung Effizienz gehalten wodurch Inspektion der Atomstruktur der Oberfläche sowohl zur Fehlerkorrektur und zum atomaren Maßstab Metrologie . Diese in Figur 1 gezeigte Nanoherstellungsverfahren </strong&gt; beginnt mit einer UHV-HDL Schritt wird, wie oben beschrieben. HDL folgenden wird die Probe in die Atmosphäre abgelassen, zu welchem ​​Zeitpunkt die gemusterten Bereiche gesättigt mit Wasser, wobei eine dünne (dh ~ 1 Monoschicht) SiO 2 -Schicht. 26. Nach dem Transport wird die Probe in eine ALD-Kammer zum Abscheiden eingefügt Titandioxid (TiO 2), mit einer Dicke etwa 2-3 nm hier abgeschieden, wie durch AFM und XPS. 27. Da der Titandioxid-Reaktion hängt von einer Wassersättigung der Oberfläche gemessen, obwohl Atmosphäre Belichtung, die die Oberfläche mit Wasser gesättigt ist dieses Verfahren möglich . Als nächstes wird die ALD Maskenmuster in die Masse der Probe wurde unter Verwendung von RIE, so dass 20 nm Si entfernt geätzt zu übertragen, mit der Ätztiefe von AFM und SEM bestimmt. Um Messschritten zu erleichtern, wird ein Si (100) Wafer mit einem Raster von Linien, die ausgelegt sind, nach der Herstellung durch UHV großem Arbeitsabstand Lichtmikroskop AFM Draufsicht optischen Abbildung sichtbar werden gemustert undLow-Vergrößerung Draufsicht SEM-Bildgebung. Zur Identifizierung der Strukturen im Nanobereich sind 1 &amp; mgr; m 2 Serpentinenmuster (SERPs) auf die Proben mit den am stärksten isolierten Nano an festen Standorten in Bezug auf die SERPS liegt gemustert. Diese Kombination von HDL, selektive ALD und RIE kann ein wichtiges Verfahren zur Nanostrukturen, und es enthält einen atomaren Bereich Messtechnik als natürliches Nebenprodukt des Verfahrens. Unten sind wir eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schritte, um sub-10 nm-Nanostrukturen in Si (100) unter Verwendung von HDL, selektive ALD und RIE herzustellen. Es wird angenommen, dass ein Fachmann ist in jedem dieser Prozesse, die Information wird damit zusammen, wie die verschiedenen Prozesse integriert enthalten sein. Besonderes Gewicht wird auf diese unerwarteten Schwierigkeiten von den Autoren um die gleichen Schwierigkeiten zu verhindern erlebt gegeben werden, vor allem im Zusammenhang mit Transport und Messtechnik.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Si Wafer</td>
			<td>VA Semiconductor</td>
			<td></td>
			<td>P type (Boron) Si&#60;100&#62; +/- 2 degrees, 280 mm +/- 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ta foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>335</td>
			<td>0.025mm (0.001in) thick, 99.997% (metals basis)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19393</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19397</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19392</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon</td>
			<td>Praxair</td>
			<td></td>
			<td>Ultra high purity (grade 5.0)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>Milli-Q Water Purification System</td>
			<td>&#62;18 MW resistance water produced on demand.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TiCl4</td>
			<td>Sigma Aldrigh</td>
			<td>254312</td>
			<td>&#8805;99.995% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O2</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2182101</td>
			<td>Research Grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SF6</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2658922</td>
			<td>Ultra high purity (grade 4.7)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue Medium Tack Roll</td>
			<td>Semiconductor Equipment Corporation</td>
			<td>18074</td>
			<td>Thickness 75 um / .003&#8221;&#160; Length 200 M / 660&#8217;&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomically traceable nanostructure fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

In den hier beschriebenen Fällen wird HDL erfolgte mit Multimode-Lithographie. 24 In FE Modus mit 8 V Probe bias, 1 nA und 0,2 mC / cm (äquivalent zu 50 nm / s Spitzengeschwindigkeit) durchgeführt, wobei die Spitze über bewegt die Oberfläche entweder parallel oder senkrecht zu der Si-Gitter produziert Linien Depassivierung. Während diese Linienform ist sehr Spitze abhängig, in der Fall, die vollständig depassiviert Teil der Linien betrug ca. 6 nm breit, mit Schwänzen Teil Depassivierung der sich eine...

Watch this Scientific Journal Video about Atomically Traceable Nanostructure Fabrication at JoVE.com

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomar Traceable Nanostrukturen

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

8.6K Aufrufe.  Zyvex Labs. We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated. 

Serie: Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial Absorber

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

Herstellung von räumlich getrennter komplexe Oxide

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

Herstellung von VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells für Elektrochemische Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long and hollow glassy carbon microfibers derived from human hairs is introduced. The long and hollow carbon structures were made by the pyrolysis of human hair at 900 &#176;C in a N2 atmosphere. The morphology and chemical composition of natural and pyrolyzed human hairs were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and electron-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), respectively, to estimate the physical and chemical changes due to pyrolysis. Raman spectroscopy was used to confirm the glassy nature of the carbon microstructures. Pyrolyzed hair carbon was introduced to modify screen-printed carbon electrodes ; the modified electrodes were then applied to the electrochemical sensing of dopamine and ascorbic acid. Sensing performance of the modified sensors was improved as compared to the unmodified sensors. To obtain the desired carbon structure design, carbon micro-/nanoelectromechanical system (C-MEMS/C-NEMS) technology was developed. The most common C-MEMS/C-NEMS fabrication process consists of two steps: (i) the patterning of a carbon-rich base material, such as a photosensitive polymer, using photolithography; and (ii) carbonization through the pyrolysis of the patterned polymer in an oxygen-free environment. The C-MEMS/NEMS process has been widely used to develop microelectronic devices for various applications, including in micro-batteries, supercapacitors, glucose sensors, gas sensors, fuel cells, and triboelectric nanogenerators. Here, recent developments of a high-aspect ratio solid and hollow carbon microstructures with SU8 photoresists are discussed. The structural shrinkage during pyrolysis was investigated using confocal microscopy and SEM. Raman spectroscopy was used to confirm the crystallinity of the structure, and the atomic percentage of the elements present in the material before and after pyrolysis was measured using EDX.

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Long and hollow glassy carbon microfibers were fabricated based on the pyrolysis of a natural product, human hair. The two fabrication steps of carbon microelectromechanical and carbon nanoelectromechanical systems, or C-MEMS and C-NEMS, are: (i) photolithography of a carbon-rich polymer precursor and (ii) pyrolysis of the patterned polymer precursor.

Herstellung von 3D-Carbon-Mikroelektromechanischen Systemen (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Herstellung von periodischen Gold Nanocup Arrays mit kolloidalen Lithographie

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Herstellung von Superhydrophob Metalloberflächen für Anti-Icing-Anwendungen

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...