Name: epitaxial nanostructured α-quartz films on silicon: from the material to new devices
Uploaded: 2020-10-06T14:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Epitaxial Nanostructured Î±-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices at JoVE.com

Diese Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union (Nr.803004) finanziert.

1. Vorbereitung der Lösung
<ol><li>Bereiten Sie eine Lösung vor, die vorhydrolysiertes Tetraethylorthosilikat (TEOS) 18 h enthält, vor der Herstellung der Gelfolien in einer Dunstabzugshaube, in die ein Laborgleichgewicht und ein Magnetrührer gelegt werden.<ol>
<li>0,7 g Polyethylenglykolhexadecylether (Brij-58) und 23,26 g Ethanol in 50 ml Flasche geben und den Deckel der Flasche schließen und rühren, bis der Brij vollständig aufgelöst ist.</li>
		<li>1,5 g HCl 35% in Schritt 1.1.1 in den Kolben geben, schließen und 20 s rühren.</li>
		<li>4,22 g TEOS in Schritt 1.1.2 in den Kolben geben, schließen und 18 h rühren lassen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Herstellung von 1 M wässrige Lösung von Sr2+ kurz vor der Herstellung der Gelfolien, da eine gereifte Lösung in Form von Sr-Salz rezipitiert werden kann.<ol>
<li>Wiegen Sie 2,67 g SrCl2,6H2O in einem 10 ml Volumenkolben.</li>
		<li>10 ml Reinstwasser (z.B. Milli-Q) bis 10 ml in Schritt 1.2.1 in den Kolben geben und den Kolben mit einer Kunststoffkappe schließen und den Kolben vorsichtig schütteln, um das Strontiumchlorid aufzulösen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fügen Sie 275 l der 1 M wässrigen Lösung von Sr2+ in die 10 ml Flasche mit der in Schritt 1.1 hergestellten Lösung und rühren Sie die Lösung für 10 min.</li>
</ol>2. Herstellung von Polydimethylsiloxan (PDMS) Schablonen
<ol><li>Vorbereitung der PDMS-Lösung nach Schritt 1.3.<ol>
<li>Mischen Sie 1 Teil des Härtungsmittels mit 10 Teilen des Elastomers in einem Becher auf der Waage. Rühren Sie die Mischung mit einem Glasstab, bis sie eine homogene Verteilung der Blasen erhält, und entfernen Sie sie in einer Vakuumkammer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Replizieren Sie den Silizium-Master mit der PDMS-Lösung. Beachten Sie, dass wir für diese Arbeit einen siliziumgemusterten Master verwendet haben, der aus Säulen mit Durchmessern, Höhe und Trennabstand von 1 m besteht.<ol>
<li>Setzen Sie den Silizium-Master mit der strukturierten Face-up-Box in eine Kunststoffbox und füllen Sie die Box mit der PDMS-Lösung.</li>
		<li>Führen Sie die Kunststoffbox bei 70 °C für 2 h in den Ofen ein, um eine solide PDMS-Schablone zu erhalten.</li>
		<li>Trennen Sie die PDMS-Vorlage und den Silizium-Master. Schneiden Sie die PDMS-Vorlage mit einem Blatt auf die gewünschte Größe und bewahren Sie sie in einer sauberen Box auf.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Gelfolienabscheidung auf SOI (100) Substraten durch Dip-Beschichtung
<ol><li>Vorbereitung der Substrate<ol>
<li>Bereiten Sie 2 cm x 6 cm große Substrate vor, indem Sie einen 2-Zoll-p-Typ SOI-Wafer mit einer Dicke von 2/0,5/0,67 n (Si/SiO2/Si) in eine Richtung schneiden, die parallel oder senkrecht zur Waferebene mit einer Diamantspitze verläuft. Beachten Sie, dass die Leitfähigkeit der Silizium-Geräteschicht zwischen 1 und 10 Ω/cm liegen muss.</li>
		<li>Führen Sie die Substrate in einer Piranha-Lösung für 20 min ein, um mögliche Polymerrückstände zu beseitigen.</li>
		<li>Mit DI-Wasser, dann mit Ethanol reinigen und trocknen lassen oder Stickstofffluss verwenden. Dieser Schritt sollte direkt nach Schritt 1.3 ausgeführt werden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Deposition einer Lösung, die vorhydrolysiertes Tetraethylorthosilikat (TEOS), Brij-58-Sulfactant und SrCl2 6H2O enthält.<ol>
<li>Um eine homogene Kieselsäurefolie zu erhalten, stellen Sie die Dip-Coater-Kammer unter den Bedingungen bei relativer Luftfeuchtigkeit von 40% und 25 °C Temperatur ein.</li>
		<li>Legen Sie einen Becher mit der Größe von ca. 5 cm x 1 cm x 8 cm unter das SOI-Substrat, das am Taucherarm hängt, und stellen Sie beim Eintauchen und Zurückziehen eine Tauchbeschichtungssequenz mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/min her. Stellen Sie die Tauchzeit (Zeit an der Endposition) auf Null.</li>
		<li>Füllen Sie den Becher mit der in Schritt 1.3 vorbereiteten Lösung und warten Sie, bis die relative Luftfeuchtigkeit stabil wird, d.h. 40 % bzw. 25 °C.</li>
		<li>Führen Sie eine einzelne Tauchbeschichtung durch und warten Sie, bis der Film homogen wird.</li>
		<li>Führen Sie das SOI-Substrat bei 450 °C für 5 min in einen Ofen ein, um eine Dicke von 200 nm zu erhalten.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.2.3 und 3.2.4 zweimal mehr, um eine Folie mit einer Dicke von ca. 600 nm zu produzieren. Um die Stabilität der Lösung zu gewährleisten, sollte ein Wiederholungsprozess in 1 h durchgeführt werden.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Oberflächenmikro/Nanostrukturierung durch Soft-Imprint-Lithographie
<ol><li>Bereiten Sie die Mikro-/Nanostrukturen auf der Filmoberfläche unter den Bedingungen der relativen Luftfeuchtigkeit 40% und 25 °C Temperatur vor.<ol>
<li>Wiederholen Sie Schritt 3.2.3, um einen neuen Film auf SOI-Substrat zu deponieren.</li>
		<li>Legen Sie das SOI-Substrat nach Schritt 3.2.1 auf eine flache Oberfläche und legen Sie die in Schritt 2.2 hergestellte PDMS-Form auf das SOI-Substrat, während das Sol-Gel verdampft.</li>
		<li>Das SOI-Substrat mit der PDMS-Form in einem Ofen bei 70 °C für 1 min und dann bei 140 °C für 2 min in einem zweiten Ofen. Dann lassen Sie es zum Abkühlen.</li>
		<li>Entfernen Sie die PDMS-Form, um eine mikro-nanostrukturierte Gelfolie auf dem SOI-Substrat zu erhalten.</li>
		<li>Führen Sie das SOI-Substrat bei 450 °C für 5 min in einen Ofen ein, um eine mikro-nanostrukturierte Gelfolie mit 600 nm Höhe zu konsolidieren.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Gelfilmkristallisation durch thermische Behandlung
<ol><li>Thermische Behandlung der Gelfolien auf SOI (100).<ol>
<li>Programmieren Sie die Rohrofenheizung von Raumtemperatur auf 1000 °C.</li>
		<li>Führen Sie die in einem Keramikboot platzierte Probe 5 Stunden lang bei 1000 °C in den Ofen ein. Bedecken Sie das Rohr während der gesamten thermischen Behandlung nicht, um den Ofen mit Luft zu sättigen. Schließlich erreichen Sie die Raumtemperatur durch Abkühlen des Ofens ohne programmierte Rampe.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Gestaltung des Lithographie-Maskenlayouts
Die bei diesem Verfahren verwendete Maske wurde speziell für die Herstellung von Geräten auf dem SOI-Substrat mit epitaxialem nanostrukturiertem Quarz entwickelt. Alle Herstellungsprozesse werden auf der Quarzseite durchgeführt. Die Maske wurde so entworfen, dass in jedem Schritt negativer Tonwiderstand verwendet werden muss. Die Maske ist in vier verschiedenen Schritten organisiert, wie unten erläutert.
<ol><li>Mustern Sie den Quarz, um die Form des Auslegers zu bestimmen, und auch die Kontaktfläche der Quadratform von 30 x 30 m. So ist z. B. eine rechteckige Auslegerfläche im Größe 40 x 100 m aus 120 x 160 m Fläche mit negativem Widerstand geschützt und der Rest bis zur Siliziumschicht geätzt.</li>
	<li>Realisieren Sie die oberen und unteren Elektroden. Die obere Elektrode ist auf dem rechteckigen, geformten Auslegerbereich gemustert, und die untere Elektrode ist auf der 2 m dicken Siliziumschicht auf der geätzten Fläche von 30 x 30 m gemustert. Die Breite des oberen Kontakts ist 4 m kleiner als die gemusterte Auslegerfläche und die Größe des unteren Kontakts ist größer als die in Schritt 1 geätzte Fläche von 30 x 30 m.</li>
	<li>Ätzen Sie alle 2 m dicken Siliziumschichten in einer U-förmigen Fläche von 120 x 160 m um den rechteckigen Ausleger. Der geätzte Bereich ist wieder U-förmig, aber von jeder Seite 4 m kleiner, um den Auslegerbereich im letzten Schritt vor HF-Angriffen zu schützen.</li>
	<li>Lassen Sie den Ausleger mit BOE Radierung von SiO2los. Die geschützte Auslegerfläche ist 2 m größer als die tatsächliche Auslegerfläche. Der wichtigste Teil ist, die Oberfläche und die Rohlinge des Auslegers zu schützen.</li>
</ol>7. Reinigung der Quarzproben für den Ausleger-Mikroherstellungsprozess mit Piranha-Lösung
<ol><li>Bereiten Sie eine Piranha-Lösung vor, indem Sie bei Umgebungstemperatur langsam 10 ml Wasserstoffperoxid (H2O2) in 20 ml Schwefelsäure (H2SO4) geben. Diese Mischung erzeugt eine thermische Reaktion.<ol>
<li>Legen Sie die Proben in dieser Lösung für 10 min, um alle organischen Rückstände zu reinigen.</li>
		<li>Spülen Sie die Proben mit DI-Wasser und trocknen Sie sie mit Stickstoff.</li>
	</ol>
</li>
</ol>8. Schritt 1: Musterauslegerform auf dem Quarz-Dünnfilm
<ol><li>Der erste Lithographieprozess<ol>
<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann trockenen Stickstoff.</li>
		<li>Legen Sie die Proben auf die Kochplatte bei 140°C für 10 min Entfeuchtung.</li>
		<li>Spin AZ2070 negative Fotoresist bei einer Geschwindigkeit von 4000 U/min für 30 s.</li>
		<li>Die Proben auf die Kochplatte legen, um bei 115 °C für 60 s weich zu backen.</li>
		<li>Setzen Sie die Probe mit 37,5 mJ.cm-2 UV-Dosis für 5 s aus.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für die Nachbelichtung geben bei 115 °C für 60 s backen.</li>
		<li>Entwickeln Sie in MIF 726 Entwickler für 100 s bei Umgebungstemperatur, dann in DI-Wasser spülen und trockenen Stickstoff blasen. Die erwartete Dicke beträgt 5,5 m.</li>
		<li>Legen Sie die Probe auf die Kochplatte bei 125 °C für 10 min, um den Widerstand hart zu härten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reaktive Ionenätzung (RIE) der Quarzschicht<ol>
<li>Ätzen Sie den Quarz bis Zur Siliziumschicht mit RIE mit einem Gasdurchfluss von 60 sccm CHF3, 20 sccm 02und 10 sccm Ar bei 100 W HF-Leistung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigung der Widerstandsreste<ol>
<li>Mit Plasma bei einer Durchflussrate von 90 sccm 02 für 5 min reinigen.</li>
		<li>Wenn der erste Reinigungsschritt nicht ausreicht, lassen Sie die Probe im Entferner PG bei 80 °C, bis alle Widerstände entfernt sind.</li>
		<li>Dann die Probe in eine Piranha-Lösung (20 ml Schwefelsäure H2SO4 + 10 ml Wasserstoffperoxid H2O2)für 10 min geben. Dann in DI-Wasser abspülen und mit Stickstoff trocknen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>9. Schritt 2: Realisierung der unteren und oberen Elektrode
<ol><li>Der zweite Lithographieprozess<ol>
<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann trockenen Stickstoff.</li>
		<li>Legen Sie die Proben auf die Kochplatte bei 140 °C für 10 min Entfeuchtung.</li>
		<li>Spin AZ2020 negative Fotoresist bei einer Geschwindigkeit von 4000 U/min für 30 s.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte geben, um sie bei 115 °C für 60 s zu softbake.</li>
		<li>Setzen Sie die Probe mit 23,25 mJ.cm-2 UV-Dosis für 3 s aus.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für die Nachbelichtung geben bei 115 °C für 60 s backen.</li>
		<li>Entwickeln Sie in MIF 726 Entwickler für 50 s bei Umgebungstemperatur, dann in DI-Wasser spülen und trockenen Stickstoff blasen. Die erwartete Dicke beträgt 1,7 m.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Metallabscheidung für obere und untere Elektroden.<ol>
<li>50 nm Chrom mit einer Rate von 4 A/s und 120 nm Platin bei 2,5 A/s mit Elektronenstrahlverdampfung bei 10-6 mbar ablagern.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Metall-Abhebe<ol>
<li>Lassen Sie die Proben zuerst in Aceton und dann in IPA, bis der Metallabheber erfolgreich ist.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Probe mit einem optischen Mikroskop und lassen Sie die Probe bei Bedarf im Entferner PG bei 80 °C, bis alle Metalle abhebt sind. Dann in DI-Wasser abspülen und trockenen Stickstoff blasen.</li>
		<li>Wenn Schritt 9.3.2 nicht ausreicht, legen Sie die Proben in einem Ultraschallreiniger in Aceton für 5 min. Wiederholen Sie diesen Vorgang so oft wie nötig.</li>
		<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann mit Stickstoff trocken.</li>
	</ol>
</li>
</ol>10. Schritt 3: Musterung der Probe, um Si(100) Schicht zu ätzen
<ol><li>Der dritte Lithographieprozess<ol>
<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann trockenen Stickstoff.</li>
		<li>Legen Sie die Proben auf die Kochplatte bei 140 °C für 10 min Entfeuchtung.</li>
		<li>Spin AZ2070 negative Fotoresist mit einer Geschwindigkeit von 2000 U/min für 30 s.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für Softbake bei 115 °C für 60 s legen.</li>
		<li>Setzen Sie die Probe mit 37,5 mJ.cm-2 UV-Dosis für 5 s aus.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für die Nachbelichtung geben bei 115 °C für 60 s backen.</li>
		<li>Entwickeln Sie in MIF 726 für 110 s bei Umgebungstemperatur, dann in DI-Wasser abspülen und mit Stickstoff trocken blasen. Die erwartete Dicke beträgt 5,9 m.</li>
		<li>Die Probe bei 125 °C 10 min auf die Kochplatte geben, um den Widerstand hart zu härten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reaktive Ionenätzung der Siliziumschicht<ol>
<li>Ätzen Sie die Siliziumschicht bis SiO2 Schicht mit RIE mit Gasdurchfluss von 60 sccm CHF3, 20 sccm 02 und 10 sccm Ar bei 100W HF Leistung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigung der Widerstandsreste<ol>
<li>Zuerst mit Plasma bei einer Durchflussrate von 90 sccm 02 für 5 min reinigen.</li>
		<li>Lassen Sie die Probe im Entferner PG bei 80 °C, bis alle Widerstände entfernt sind. Dann in DI-Wasser abspülen und trockenen Stickstoff blasen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>11. Schritt 4: Freilassen des Auslegers durch nasschemische Ätzung von SiO2
<ol><li>Der vierte Lithographieprozess<ol>
<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann trockenen Stickstoff.</li>
		<li>Legen Sie die Proben auf die Kochplatte bei 140 °C für 10 min Entfeuchtung.</li>
		<li>Spin AZ2020 negative Fotoresist mit einer Geschwindigkeit von 2000 U/min für 30 s.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für weiches Backen bei 115 °C für 60 s legen.</li>
		<li>Setzen Sie die Probe mit 37,5 mJ.cm-2 UV-Dosis für 5 s aus.</li>
		<li>Die Probe auf die Kochplatte für die Nachbelichtung geben bei 115 °C für 60 s backen.</li>
		<li>Entwickeln Sie in MIF 726 für 65 s bei Umgebungstemperatur. In DI-Wasser abspülen und dann trockenen Stickstoff blasen. Die erwartete Dicke beträgt 2,3 m.</li>
		<li>Legen Sie die Probe auf die Kochplatte bei 125 °C für 10 min, um den Widerstand hart zu härten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Nassätzung der SiO2-Schicht mit gepufferter Oxidätzung (BOE)<ol>
<li>Boe 7:1-Lösung in einen Behälter auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) geben.</li>
		<li>Legen Sie die Probe in diese Lösung und lassen Sie sie bei Umgebungstemperatur, bis alle SiO2 Schichten unter dem Ausleger geätzt sind. Dann in DI-Wasser abspülen und trockenen Stickstoff blasen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigung der Widerstandsreste<ol>
<li>Spülen Sie die Proben mit Aceton, IPA, und blasen Sie dann trockenen Stickstoff.</li>
		<li>Bei Bedarf die Widerstandsreste mit Plasma bei einer Durchflussrate von 90 sccm O2 für 5 min reinigen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Vila-Fungueiri&#241;o, J. M., 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=Integration+of+functional+complex+oxide+nanomaterials+on+silicon.">Integration of functional complex oxide nanomaterials on silicon.</a> Frontiers in Physics. 3, (2015).</li><li>Carretero-Genevrier, 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=Direct+monolithic+integration+of+vertical+single+crystalline+octahedral+molecular+sieve+nanowires+on+silicon.">Direct monolithic integration of vertical single crystalline octahedral molecular sieve nanowires on silicon.</a> Chemistry of Materials. 26 (2), 1019-1028 (2014).</li><li>Gomez, 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=Crystal+engineering+of+room-temperature+ferroelectricity+in+epitaxial+1D+hollandite+oxides+on+silicon.">Crystal engineering of room-temperature ferroelectricity in epitaxial 1D hollandite oxides on silicon.</a> arXiv:2007.03452 [cond-mat.mtrl-sci]. , (2020).</li><li>Tadigadapa, 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=Piezoelectric+MEMS+sensors:+state-of-the-art+and+perspectives.">Piezoelectric MEMS sensors: state-of-the-art and perspectives.</a> Measurement Science and Technology. 20 (9), 092001 (2009).</li><li>Yin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+epitaxial+piezoelectric+thin+films+on+silicon.">Integration of epitaxial piezoelectric thin films on silicon.</a> Ecole Centrale de Lyon, France. , (2013).</li><li>Isarakorn, D., 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=Epitaxial+piezoelectric+MEMS+on+silicon.">Epitaxial piezoelectric MEMS on silicon.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (5), 055008 (2010).</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>Warusawithana, M. 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=A+ferroelectric+oxide+made+directly+on+silicon.">A ferroelectric oxide made directly on silicon.</a> Science. 324 (5925), 367-370 (2009).</li><li>Galliou, 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=Quality+factor+measurements+of+various+types+of+quartz+crystal+resonators+operating+near+4+K.">Quality factor measurements of various types of quartz crystal resonators operating near 4 K.</a> IEEE Transactions on Ultrasonic, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (7), (2015).</li><li>Danel, J. S., Delapierre, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quartz:+a+material+for+microdevices.">Quartz: a material for microdevices.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 1 (4), 187 (1991).</li><li>Sohn, Y. I., 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=Mechanical+and+optical+nanodevices+in+single-crystal+quartz.">Mechanical and optical nanodevices in single-crystal quartz.</a> Applied Physics Letters. 111 (26), 263103 (2017).</li><li>Santybayeva, Z., 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=Fabrication+of+quartz+microcylinders+by+laser+interference+lithography+for+angular+optical+tweezers.">Fabrication of quartz microcylinders by laser interference lithography for angular optical tweezers.</a> Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 15, 3 (2016).</li><li>Lu, H., 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=Enhanced+electro-optical+lithium+niobate+photonic+crystal+wire+waveguide+on+a+smart-cut+thin+film.">Enhanced electro-optical lithium niobate photonic crystal wire waveguide on a smart-cut thin film.</a> Optics Express. 20 (3), 2974-2981 (2012).</li><li>Carretero-Genevrier, 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=Soft-chemistry-based+routes+to+epitaxial+alpha-quartz+thin+films+with+tunable+textures.">Soft-chemistry-based routes to epitaxial alpha-quartz thin films with tunable textures.</a> Science. 340 (6134), 827-831 (2013).</li><li>Carretero-Genevrier, A., Gich, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+macroporous+epitaxial+quartz+films+on+silicon+by+chemical+solution+deposition.">Preparation of macroporous epitaxial quartz films on silicon by chemical solution deposition.</a> Journal of Visualized Experiments: JoVE. (106), e53543 (2015).</li><li>Zhang, Q., 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=Tailoring+the+crystal+growth+of+quartz+on+silicon+for+patterning+epitaxial+piezoelectric+films.">Tailoring the crystal growth of quartz on silicon for patterning epitaxial piezoelectric films.</a> Nanoscale Advances. 1 (9), 3741-3752 (2019).</li><li>Zhang, Q., 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=Micro/nanostructure+engineering+of+epitaxial+piezoelectric+&#945;-quartz+thin+films+on+silicon.">Micro/nanostructure engineering of epitaxial piezoelectric &#945;-quartz thin films on silicon.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (4), 4732-4740 (2020).</li><li>Sansen, 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=Mapping+cell+membrane+organization+and+dynamics+using+soft+nanoimprint+lithography.">Mapping cell membrane organization and dynamics using soft nanoimprint lithography.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (26), 29000-29012 (2020).</li><li>Jolly, 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=Soft+chemistry+assisted+on-chip+integration+of+nanostructured+quartz-based+piezoelectric+microelectromechanical+system.">Soft chemistry assisted on-chip integration of nanostructured quartz-based piezoelectric microelectromechanical system.</a> arXiv:2007.07566 [physics.app-ph]. , (2020).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Die vorgestellte Methode ist eine Kombination von Bottom-up- und Top-Down-Ansätzen zur Herstellung nanostrukturierter piezoelektrischer Quarz-Mikro-Fliestiler auf Si. Die Quartz/Si-MEMS-Technologie bietet große Vorteile gegenüber Schüttkosten in Bezug auf Größe, Stromverbrauch und Integrationskosten. Tatsächlich werden epitaxialer Quarz/Si MEMS mit CMOS-kompatiblen Verfahren hergestellt. Dies könnte die zukünftige Herstellung von Single-Chip-Lösungen für Multifrequenzgeräte erleichtern und gleichzeitig Miniat...

Oxid-Nanomaterialien mit piezoelektrischen Eigenschaften sind entscheidend für die Entwicklung von Geräten wie MEMS-Sensoren oder Mikro-Energie-Harvester oder Speicher1,2,3. Mit zunehmender CMOS-Technologie wird die monolithische Integration hochwertiger epitaxialer piezoelektrischer Folien und Nanostrukturen in Silizium zum Thema der Erweiterung neuer neuartiger Geräte4. Darüber hinaus ist eine bessere Kontrolle der Miniaturisierung dieser Geräte erforderlich, um hohe Leistungen zu erzielen5,6. Neue Sensoranwendungen in Elektronik, Biologie und Medizin werden durch die Fortschritte in den Mikro- und Nanofabrikationstechnologien7,8ermöglicht.
Insbesondere α-Quarz ist weit verbreitet als piezoelektrisches Material und zeigt hervorragende Eigenschaften, die es dem Anwender ermöglichen, für verschiedene Anwendungen zu fertigen. Obwohl es einen niedrigen elektromechanischen Kupplungsfaktor hat, der seine Anwendungsbereiche für die Energiegewinnung begrenzt, machen seine chemische Stabilität und sein hoher mechanischer Qualitätsfaktor es zu einem guten Kandidaten für Frequenzregelungsgeräte und Sensortechnologien9. Diese Geräte wurden jedoch aus Massenquarzkristallen mikrobearbeitet, die die gewünschten Eigenschaften für die Gerätefertigung10aufweisen. Die Dicke des Quarzkristalls sollte so konfiguriert werden, dass die höchste Resonanzfrequenz vom Gerät aus erreicht werden kann, heute ist die niedrigste erreichbare Dicke 10 m11. Bisher wurden einige Techniken zum Mikromustern der Massenkristalle wie Faraday Käfig-Winkelradierung11, Laserinterferenz-Lithographie12und fokussierter Ionenstrahl (FIB)13 berichtet.
Kürzlich wurde die direkte und Bottom-up-Integration von epitaxialem Wachstum von (100) α-Quarz-Folie in Siliziumsubstrat (100) durch chemische Lösungsabscheidung (CSD)14,15entwickelt. Dieser Ansatz öffnete eine Tür, um die oben genannten Herausforderungen zu meistern und auch piezoelektrische Geräte für zukünftige Sensoranwendungen zu entwickeln. Die Anpassung der Struktur von α-Quarz-Folie auf Siliziumsubstrat wurde erreicht und es erlaubte, die Textur, Dichte und die Dicke der Folie16zu kontrollieren. Die Dicke der α-Quarz-Folie wurde von einigen hundert Nanometern auf den Mikron-Bereich erweitert, die 10- bis 50-mal dünner sind als die von Top-Down-Technologien auf Massenkristallen erhaltenen. Die Optimierung der Abscheidungsbedingungen, der Feuchtigkeit und der Temperatur der Dip-Beschichtung wurde ermöglicht, sowohl eine kontinuierliche nanostrukturierte kristalline Quarzfolie als auch ein perfektes nanoimbedrucktes Muster durch eine Kombination aus einer Reihe von Top-Down-Lithographietechniken zu erreichen17. Insbesondere ist die Soft Nanoimprint Lithographie (NIL) ein kostengünstiges, großflächiger Herstellungs- und Tisch-Equipment-basiertes Verfahren. Die Anwendung von weichem NIL, das Top-Down- und Bottom-up-Ansätze kombiniert, ist ein Schlüssel zur Herstellung von epitaxialen Quarz-Nanosäulen-Arrays auf Silizium mit einer präzisen Steuerung von Säulendurchmessern, Höhe und Zwischensäulenabständen. Darüber hinaus wurde die Herstellung von Kieselsäure-Nanosäule mit kontrollierter Form, Durchmesser und Periodizität auf Borosilikatglas für eine biologische Anwendung durchgeführt, um weiches NIL aus epitaxialem Quarzdünnschicht18anzupassen.
Bisher war die On-Chip-Integration von piezoelektrischen nanostrukturierten α-Quarz-MEMS nicht möglich. Hier zeichnen wir den detaillierten Engineering-Weg vom Material bis zur Gerätefertigung. Wir erklären alle Schritte für die Materialsynthese, weiches NIL und die Mikrofertigung des Geräts, um einen piezoelektrischen Quarzausleger auf SOI-Substrat19 freizugeben und diskutieren seine Reaktion als piezoelektrisches Material mit einigen Charakterisierungsergebnissen.

<table><tbody><tr><td>Acetone</td><td>Honeywell Riedel de Ha&amp;euml;n</td><td>UN 1090</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2020 negative resist</td><td>Microchemicals</td><td>USAW176488-1BLO</td><td></td></tr><tr><td>AZnLOF 2070 negative resist</td><td>Microchemicals</td><td>USAW211327-1FK6</td><td></td></tr><tr><td>AZ 726 MIF developer</td><td>Merck</td><td>DEAA195539</td><td></td></tr><tr><td>BOE (7:1)</td><td>Technic</td><td>AF 87.5-12.5</td><td></td></tr><tr><td>Brij-58</td><td>Sigma</td><td>9004-95-9</td><td></td></tr><tr><td>Chromium</td><td>Neyco</td><td>FCRID1T00004N-F53-062317/FC79271</td><td></td></tr><tr><td>Dip Coater ND-R 11/2 F</td><td>Nadetec</td><td>ND-R 11/2 F</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen peroxide solution 30%</td><td>Carlo Erka Reagents DasitGroup</td><td>UN 2014</td><td></td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;SO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Honeywell Fluka</td><td>UN 1830</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol</td><td>Honeywell Riedel de Ha&amp;euml;n</td><td>UN 1219</td><td></td></tr><tr><td>Mask aligner</td><td>EV Group</td><td>EVG620</td><td></td></tr><tr><td>PG remover</td><td>MicroChem</td><td>18111026</td><td></td></tr><tr><td>Platinum</td><td>Neyco</td><td>INO272308/F14508</td><td></td></tr><tr><td>PTFE based container</td><td>Teflon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reactive ion etching (RIE)</td><td>Corial</td><td>ICP Corial 200 IL</td><td></td></tr><tr><td>SEMFEG</td><td>Hitachi</td><td>Su-70</td><td></td></tr><tr><td>SOI substrate</td><td>University Wafer</td><td>ID :3213</td><td></td></tr><tr><td>Strontium chloride hexahydrate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>10025-70-4</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Kit</td><td>Dow</td><td>.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD TM 184 Silicone Elastomer Curring Agent</td><td>Dow</td><td>.000000840559</td><td></td></tr><tr><td>Tetraethyl orthosilicate</td><td>Aldrich</td><td>78-10-4</td><td></td></tr><tr><td>Tubular Furnace</td><td>Carbolite</td><td>PTF 14/75/450</td><td></td></tr><tr><td>Vibrometer</td><td>Polytec</td><td>OFV-500D</td><td></td></tr><tr><td>2D XRD</td><td>Bruker</td><td>D8 Discover</td><td>Equipped with a Eiger2 R 500 K 2D detector</td></tr></tbody></table>

epitaxial nanostructured &alpha;-quartz films on silicon: from the material to new devices

In dieser Arbeit zeigen wir einen detaillierten technischen Weg des ersten piezoelektrischen nanostrukturierten epitaxialen Quarz-basierten Mikrokwingers. Wir erklären Ihnen alle Schritte im Prozess, beginnend mit dem Material bis zur Gerätefertigung. Das epitaxiale Wachstum von α-Quarz-Folie auf SOI (100)-Substrat beginnt mit der Herstellung eines Strontium dotierten Kieselsäure-Sol-Gels und setzt sich mit der Abscheidung dieses Gels in dünnschichtiger Form in Dünnschichtform mit der Tauchbeschichtungstechnik unter atmosphärischen Bedingungen bei Raumtemperatur fort. Vor der Kristallisation des Gelfilms erfolgt die Nanostrukturierung auf der Filmoberfläche durch Nanoimprint-Lithographie (NIL). Das epitaxiale Filmwachstum wird bei 1000 °C erreicht, was eine perfekte Kristallisation des gemusterten Gelfilms zur Folge hat. Die Herstellung von Quarzkristallauslegervorrichtungen ist ein vierstufiger Prozess, der auf Mikrofabrikationstechniken basiert. Der Prozess beginnt mit der Formgebung der Quarzoberfläche, und dann folgt die Metallabscheidung für Elektroden. Nach dem Entfernen des Silikons wird der Ausleger aus dem SOI-Substrat gelöst, wodurch SiO2 zwischen Silizium und Quarz entfällt. Die Geräteleistung wird mit berührungslosen Laservibrometern (LDV) und Atomkraftmikroskopie (AFM) analysiert. Unter den verschiedenen Freischwingerabmessungen, die in dem hergestellten Chip enthalten sind, zeigte der in dieser Arbeit analysierte nanostrukturierte Ausleger eine Größe von 40 m Groß und 100 m Länge und wurde mit einer 600 nm dicken gemusterten Quarzschicht (Nanosäulendurchmesser und Trennabstand von 400 nm bzw. 1 m) präparat auf einer 2 m dicken Si-Geräteschicht hergestellt. Die gemessene Resonanzfrequenz betrug 267 kHz und der geschätzte Qualitätsfaktor Q der gesamten mechanischen Struktur betrug Q 398 bei niedrigen Vakuumbedingungen. Wir beobachteten die spannungsabhängige lineare Verschiebung des Auslegers mit beiden Techniken (z.B. AFM-Kontaktmessung und LDV). Daher der Nachweis, dass diese Geräte durch den indirekten piezoelektrischen Effekt aktiviert werden können.

Der Fortschritt der Materialsynthese und Gerätefertigung (siehe Abbildung 1) wurde schematisch dargestellt, indem verschiedene Schritte mit realen Bildern überwacht wurden. Nach den Mikroherstellungsprozessen beobachteten wir den Aspekt der nanostrukturierten Ausleger anhand der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FEG-SEM)(Abbildung 2a-c). 2D Micro Röntgenbeugung kontrollierte die Kristallinität der verschiedenen Stapelschichten des A...

Watch this Scientific Journal Video about Epitaxial Nanostructured Î±-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices at JoVE.com

Epitaxial Nanostructured &#945;-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices

Diese Arbeit präsentiert ein detailliertes Protokoll für die Mikrofertigung von nanostrukturierten α-Quarz-Ausleger auf einem Silizium-On-Insulator(SOI)-Technologiesubstrat ausgehend vom epitaxialen Wachstum von Quarzfolien mit dem Tauchbeschichtungsverfahren und dann der Nanostrukturierung des Dünnfilms mittels Nanoimprint-Lithographie.

Epitaxial Nanostructured α-Quartz-Folien auf Silizium: Vom Material zu neuen Geräten

In this work, we show a detailed engineering route of the first piezoelectric nanostructured epitaxial quartz-based microcantilever. We will explain all ...

epitaxial-nanostructured-quartz-films-on-silicon-from-material-to-new

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

Epitaxial Nanostructured &alpha;-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices

5.3K Aufrufe.  Université de Montpellier. Diese Arbeit präsentiert ein detailliertes Protokoll für die Mikrofertigung von nanostrukturierten α-Quarz-Ausleger auf einem Silizium-On-Insulator(SOI)-Technologiesubstrat ausgehend vom epitaxialen Wachstum von Quarzfolien mit dem Tauchbeschichtungsverfahren und dann der Nanostrukturierung des Dünnfilms mittels Nanoimprint-Lithographie.

Serie: Epitaxial Nanostructured α-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Harvesting Solar Energy mittels Charge-Trennung Nanokristalle und ihre Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Forschung

Ingenieurwesen

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain such surfaces are described. The first approach is the preparation of single terminated perovskite SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates. Wet etching was used to selectively remove one of the two possible surface terminations, while an annealing step was used to increase the smoothness of the surface. The resulting single terminated surfaces allow for the heteroepitaxial growth of perovskite oxide thin films with high crystalline quality and well-defined interfaces between substrate and film. In the second approach, seed layers for epitaxial film growth on arbitrary substrates were created by Langmuir-Blodgett (LB) deposition of nanosheets. As model system Ca2Nb3O10- nanosheets were used, prepared by delamination of their layered parent compound HCa2Nb3O10. A key advantage of creating seed layers with nanosheets is that relatively expensive and size-limited single crystalline substrates can be replaced by virtually any substrate material.

Various procedures are outlined to prepare atomically defined templates for epitaxial growth of complex oxide thin films. Chemical treatments of single crystalline SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates were performed to obtain atomically smooth, single terminated surfaces. Ca2 Nb3 O10- nanosheets were used to create atomically defined templates on arbitrary substrates.

Atomar definierte Vorlagen Epitaxieausrüstung komplexer Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Chemie

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

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.

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 ...

Preparation of Macroporous Epitaxial Quartz Films on Silicon by Chemical Solution Deposition

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step process based on the preparation of a sol in a one-pot synthesis which is followed by the deposition of a gel film on Si(100) substrates by evaporation induced self-assembly using the dip-coating technique and ends with a thermal treatment of the material to induce the gel crystallization and the growth of the quartz film. The formation of a silica gel is based on the reaction of a tetraethyl orthosilicate and water, catalyzed by HCl, in ethanol. However, the solution contains two additional components that are essential for preparing mesoporous epitaxial quartz films from these silica gels dip-coated on Si. Alkaline earth ions, like Sr2+ act as glass melting agents that facilitate the crystallization of silica and in combination with cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) amphiphilic template form a phase separation responsible of the macroporosity of the films. The good matching between the quartz and silicon cell parameters is also essential in the stabilization of quartz over other SiO2 polymorphs and is at the origin of the epitaxial growth.

A protocol is presented for the preparation of piezoelectric macroporous epitaxial films of quartz on silicon by solution chemistry using dip-coating and thermal treatments in air.

Herstellung von makroporösen Epitaxial-Quarz-Films auf Silizium durch Chemical Solution Deposition

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step ...

Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and conformality by taking advantage of self-limiting reactions between vapor-phase precursors and the growing film. Perovskite oxides present potential for next-generation electronic materials, but to-date have mostly been deposited by physical methods. This work outlines a method for depositing SrTiO3 (STO) on germanium using ALD. Germanium has higher carrier mobilities than silicon and therefore offers an alternative semiconductor material with faster device operation. This method takes advantage of the instability of germanium's native oxide by using thermal deoxidation to clean and reconstruct the Ge (001) surface to the 2&#215;1 structure. 2-nm thick, amorphous STO is then deposited by ALD. The STO film is annealed under ultra-high vacuum and crystallizes on the reconstructed Ge surface. Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) is used during this annealing step to monitor the STO crystallization. The thin, crystalline layer of STO acts as a template for subsequent growth of STO that is crystalline as-grown, as confirmed by RHEED. In situ X-ray photoelectron spectroscopy is used to verify film stoichiometry before and after the annealing step, as well as after subsequent STO growth. This procedure provides framework for additional perovskite oxides to be deposited on semiconductors via chemical methods in addition to the integration of more sophisticated heterostructures already achievable by physical methods.

This work details the procedures for the growth and characterization of crystalline SrTiO3 directly on germanium substrates by atomic layer deposition. The procedure illustrates the ability of an all-chemical growth method to integrate oxides monolithically onto semiconductors for metal-oxide semiconductor devices.

Epitaxie Perowskit Strontiumtitanat auf Germanium über Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and forging. Adoption of this technique is proceeding despite disagreement concerning the underlying mechanism responsible for EAD. The experimental procedure described herein enables a more explicit study compared to previous EAD research by removing thermal effects, which are responsible for disagreement in interpreting previous EAD results. Furthermore, as the procedure described here enables EAD observation in situ and in real time in a transmission electron microscope (TEM), it is superior to existing post-mortem methods that observe EAD effects post-test. Test samples consist of a single crystal copper (SCC) foil having a free-standing tensile test section of nanoscale thickness, fabricated using a combination of laser and ion beam milling. The SCC is mounted to an etched silicon base that provides mechanical support and electrical isolation while serving as a heat sink. Using this geometry, even at high current density (~3,500 A/mm2), the test section experiences a negligible temperature increase (&#60;0.02 &#176;C), thus eliminating Joule heating effects. Monitoring material deformation and identifying the corresponding changes to microstructures, e.g. dislocations, are accomplished by acquiring and analyzing a series of TEM images. Our sample preparation and in situ experiment procedures are robust and versatile as they can be readily utilized to test materials with different microstructures, e.g., single and polycrystalline copper.

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Isolating electrical and thermal effects on electrically assisted deformation (EAD) is very difficult using macroscopic samples. Metallic sample micro- and nanostructures together with a custom test procedure have been developed to evaluate the impact of applied current on the formation without joule heating and evolution of dislocations on these samples.

Eine neuartige Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Elektromechanische Charakterisierung von nanoskaligen Proben

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Graphene-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy of AlN Film on Nano-Patterned Sapphire Substrate for Ultraviolet Light Emitting Diodes

This protocol demonstrates a method for graphene-assisted quick growth and coalescence of AlN on nano-pattened sapphire substrate (NPSS). Graphene layers are directly grown on NPSS using catalyst-free atmospheric-pressure chemical vapor deposition (APCVD). By applying nitrogen reactive ion etching (RIE) plasma treatment, defects are introduced into the graphene film to enhance chemical reactivity. During metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) growth of AlN, this N-plasma treated graphene buffer enables AlN quick growth, and coalescence on NPSS is confirmed by cross-sectional scanning electron microscopy (SEM). The high quality of AlN on graphene-NPSS is then evaluated by X-ray rocking curves (XRCs) with narrow (0002) and (10-12) full width at half-maximum (FWHM) as 267.2 arcsec and 503.4 arcsec, respectively. Compared to bare NPSS, AlN growth on graphene-NPSS shows significant reduction of residual stress from 0.87 GPa to 0.25 Gpa, based on Raman measurements. Followed by AlGaN multiple quantum wells (MQWS) growth on graphene-NPSS, AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting-diodes (DUV LEDs) are fabricated. The fabricated DUV-LEDs also demonstrate obvious, enhanced luminescence performance. This work provides a new solution for the growth of high quality AlN and fabrication of high performance DUV-LEDs using a shorter process and less costs.

A protocol for graphene-assisted growth of high-quality AlN films on nano-patterned sapphire substrate is presented.

Graphen-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy von AlN Film auf Nano-PatternEd Sapphire Substrat für ultraviolette Leuchtdioden

This protocol demonstrates a method for graphene-assisted quick growth and coalescence of AlN on nano-pattened sapphire substrate (NPSS). Graphene layers ...