原子間力顕微鏡(AFM)のアサイラム リサーチ

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 ナノ電子デバイス作製のための走査型プローブテクニック                               
 


単一分子検出能力をもつ原子サイズのトランジスタをAFMで作製できます!!
走査型プローブ顕微鏡で使用できるツールキットの成長により、ナノスケール電子デバイスを作製し、研究するための新しい手法が開発されました。このアプリケーションでは、ナノ電子デバイスの特性を調べたり、マニピュレートするための、原子間力顕微鏡(AFM)を使用したいくつかの先進の技術を見ていきます。従来型のフォトリソグラフィー(ミクロン-スケール分解能)で作製されたカーボンナノチューブ(CNT)ネットワークデバイスからスタートして、個々のカーボンナノチューブの特性を評価し、不要なカーボンナノチューブをカットして、単一分子検出能力をもつ原子サイズのトランジスタを作ることができます。これらの測定やマニピュレーションのプロセスは、オプションのプローブ・ステーションを備えたMFP-3D™ AFMで実施しました。また、ナノエレクトロニクスの研究のための、AFMベースの技術における、最近の進歩についても解説します。

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MFP-3Dのスキャナーに取付け可能なプローブ・ステーション
  • AFMでサンプルをスキャンしながら、サンプル特性の簡易電気プロ―ビングや電気バイアス印加、および他の測定が可能になります。
  • 多様な電気的接続を実行したり、さまざまなイメージングモードと組み合わせることが可能です。

電気力顕微鏡(EFM; electric force microscopy)や走査ゲート顕微鏡(SGM; scanning gate microscopy)で
ナノ電子デバイスの電気的応答を特性評価できます!

EFMやSGMのイメージに含まれる情報は、デバイスの局所的な電気的挙動をグローバルなデバイス特性に関連付けるためにきわめて重要です。このアプリケーションでは、CNTネットワークデバイスを例として扱い、並列CNTの混合物の中から“最良”なCNTを選抜するために、局所抵抗や局所的な半導体性挙動を調べます。
右図は、カーボンナノチューブ電界効果型トランジスタを示しています。

(a) EFMやSGMの信号を得るために、導電性のAFMプローブを電気的接触デバイスの上方に空中停止させています。‘空中停止パス(hover pass)’の間、顕微鏡はAFM探針と表面の間隔を一定に保持します(通常の間隔は20-200nm)。

(b) dc-EFMのデータ(カラースケール)とAFM形状像を組み合わせたものです。多くのCNTが、ソースとドレイン電極の間のギャップを橋絡しているとろこが見られます。

・ どのCNTが金属性で、どれが半導体性なのか?
・ 金属電極への接続が良好なCNTはどれか?
・ 自然欠陥を含んでいるCNTはどれか?
などについて調べることができます。




左の表は、ナノ電子デバイスのイメージングに使用されるモードの主な違いをまとめたものです。典型的な電気的接触の構成には、電流増幅器および3つの電圧ソース(Vsd, Vtip, Vbg)を必要とします。それぞれのイメージングテクニックに応じて、異なる電圧信号が印加され、AFM探針が圧電駆動されたり、されなかったりします。


典型的なカーボンナノチューブ電界効果型トランジスタの‘空中停止パス’顕微鏡のデータ(スキャンサイズ60μm×30μm)

(a) dc-EFM(Vsd = 20mV, Vbg = 0V, Vtip = 5 V, 高さ = 20nm) カラースケール:カンチレバーの位相応答
・ 探針-サンプル間の電位差の、より定量的なイメージングが可能です。
・ 広い(60μm)イメージング領域中のすべての導電性オブジェクトの位置を素早く見つけることができます。


(b) ac(交流)-EFM(Vsd = 100mV @ 63 kHz, Vbg = 0V, Vtip = 2V, 高さ = 20nm) カラースケール:カンチレバーの振幅応答
・ 電気バイアスしたCNTの全長に沿った電圧勾配を可視化できます。
・ CNTの接触抵抗や、自然欠陥の有無などを調べ、用途に応じて選抜できます。


(c) SGM(Vsd = 20mV, Vbg = 0V, Vtip = 5V, 高さ = 20nm) カラースケール:デバイスを貫く電流の変化ΔIsd
・ CNTの局所的な半導体応答を確認し、局在化した半導体性のホットスポットや電子輸送に対するボトルネックの存在を
   明らかにします。


(d) 探針変調SGM(Vsd = 20mV, Vbg = 0V, Vtip = 5V, 高さ = 20nm) カラースケール:カンチレバーの基本周波数での電流変化ΔIsd,ac
・ 従来型のSGMと比べて、より高い空間分解能を提供し、より弱い信号を解像することができます。

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