Mágneses nanodotok atomi Fe-ből: Meg lehet-e csinálni?

Szerkesztette: Jack Halpern, Chicagói Egyetem, Chicago, IL, és jóváhagyta 2002. február 7-én (felülvizsgálatra kapott 2001. október 5-én)

Absztrakt

A Fe atomok lézeres fókuszálása lehetőséget nyújt külön mágneses struktúrák létrehozására 10 nm skálán, pontos periodicitással. Ezt úgy tehetjük meg, hogy az álló fényhullám által generált parabolikus minimumokat használjuk fókuszáló lencsékként. A kívánt 10 nm-es felbontás elérése érdekében el kell nyomnunk a kromatikus és a gömb aberrációkat, valamint meg kell akadályoznunk a bejövő sugár divergenciája által okozott szerkezet kiszélesedését. A kromatikus aberrációkat elnyomja egy szuperszonikus Fe sugárforrás kifejlesztése, amelynek sebességaránya S = 11 ± 1. Ennek a sugárnak az intenzitása 3 × 10 15 atom sr −1 s −1. Az állófény-hullám gömbös aberrációit elnyomjuk, ha 100 nm-es réseket tartalmazó sugármaszkokkal 744 nm-es időközönként nyitunk. A sugárterhelés lézeres hűtéssel csökkenthető a keresztirányú sebesség csökkentése érdekében. Felépítettünk egy lézer rendszert, amely képes több mint 500 mW lézerfény leadására 372 nm-en, az 56 Fe 5 D4 → 5 F5 atomi átmenetének hullámhosszán, amelyet lézeres hűtésre kívánunk használni. A polarizációs spektroszkópia alkalmazása üreges katódkisülésnél azt eredményezi, hogy egy reteszelő rendszer tartja a lézert folyamatosan a kívánt frekvencia 2 MHz-en belül.

Az atomok lézeres fókuszálását növekvő érdeklődéssel vizsgálják, mivel ez életképes technikát bizonyít a periodikus nanostruktúrák előállítására, különösen azért, mert a szerkezetek periódusa nagy pontossággal ismert. A két alapvető litográfiai folyamat a maratás és a lerakódás. Maratás metastabil ritka gázok, például He * (1, 2), Ne * (3) és Ar * (4), valamint alkáli atomokkal, például Na (5) és Cs (6) kombinációval az öngyülekező egyrétegű (SAM) ellenállások vonalak és pontok tömbjeit eredményezték. Hasonló szerkezetek lerakódását olyan fématomokkal érték el, mint a Cr (1, 7, 8) és az Al (9), és más III. Csoportba tartozó fémeknél tervezik (10). Jelen munka célja Fe-atomokból készült mágneses nanostruktúrák lerakása. Ez a módszer érdekes, új kísérleti megközelítést nyújthat az egy- és nulla dimenziós mágnesesség területén (11). Ahhoz, hogy ez a séma működjön, különálló, izolált Fe-struktúrákat kellene elhelyeznünk.

A Fe atom litográfia alapelve. A Fe atomok egy szuperszonikus sugárforrásból távoznak. Ezután lézeres hűtési technikákkal kollimálják őket. Miután a nem megfelelő atomokat egy sugármaszk blokkolja, azok egy állandó hullám által generált periodikus potenciálban fókuszálódnak. Ezt a sémát egy vagy nulla dimenziós ferromágneses nanostruktúrák létrehozására kívánjuk felhasználni.

Az atomnyaláb tulajdonságait lézeres hűtéssel lehet manipulálni (12). A lézerhűtés során egy atom elnyeli a fotonokat, és véletlenszerű irányban újból visszavezeti őket. Ha a fotonok egy lézersugár részei, akkor mindegyiknek ugyanaz a lendülete, és így nettó lendületet visz át az atomra. Ha a lézer frekvenciája kissé alacsonyabb az átmeneténél, akkor a Doppler-effektus által kiváltott detunálás miatt a lézer irányában haladó atomok kevesebb fotont fognak el, mint az ellenkező irányban mozgó atomok. Két ellenszaporító lézersugárnak tehát nettó hatása van, ha keresztirányban hűti az atomsugarat. A lézeres hűtés általában zárt, kétszintes átmenetet igényel. A Fe-atomnak nincs zárt kétszintű átmenete a lézeres hűtéshez. Megpróbáljuk a lézeres hűtést az 5 D4 → 5 F5 átmeneten keresztül, 372 nm hullámhosszon. A teljes „szivárgás” ebben az átmenetben 1/243, vagyis amikor egy atom gerjesztődik, akkor van esély 1-re 243-ból, hogy nem bomlik vissza az alapállapotba onnan, ahonnan jött. Ha ez bekövetkezik, nem alkalmazhatunk további lézeres hűtést vagy fókuszálást az atomra.

Először is, a kromatikus aberráció az axiális sebesség terjedésének csökkentésével csökken. A Zeeman lassulást (6) ebben az esetben nem lehet alkalmazni, mert ez a technika nagyon sok abszorpciót igényel. Ezért az atomoknak nagyon keskeny sebességeloszlással kell elhagyniuk a forrást. A szuperszonikus forrásoknak ilyen jellegzetes keskeny sebességeloszlásuk van (13).

A második akadály a fénysugár eltérése. Csökkenteni kívánjuk a keresztirányú sebességet a keresztirányú lézerhűtéssel (14), amint az az 1. ábrán sematikusan látható.

Harmadszor el kell nyomnunk azokat a gömbös rendellenességeket, amelyek abból adódnak, hogy a legtöbb helyen nem lehet parabolikus. Ezt külön gyártott gerendamaszkok használatával kívánjuk elérni, amelyek bizonyos helyeken blokkolják a nyalábot, kivéve, ha a potenciál jó közelítésben harmonikus. Ezt a közelítést az 1. ábra mutatja.

Ez a cikk kísérleti áttekintést kíván adni az eddig elért haladásról. Először a módszerünkben írjuk le kísérletünk tervét. Ezt a leírást a kísérleti készülék működési jellemzőinek megvitatása követi az Eredmények részben, és ezeknek az eredményeknek a rövid megbeszélése, valamint a közeljövő kilátása a Vita.

Mód

Ebben a részben áttekintést adunk kísérletünk tervezéséről. A három fő alkotóelem egy szuperszonikus atomi Fe-forrás, egy lézerrendszer, amely képes folyamatosan több mint 500 mW UV-fény előállítására, valamint a Fe-atomok fókuszálásához használt fény hullámhosszának megfelelő gyakoriságú sugármaszk.

Sugárforrás.

Az ebben a szakaszban áttekintett forráskialakítást Bosch és mtsai alaposabban ismertették. (15) Hagena által kidolgozott hasonló forrásokon alapuló tervet használunk (16).

Forrástervünk elsődleges követelménye, hogy a Fe atomoknak egyenletes sebességeloszlásúak legyenek a fókuszálás kromatikus aberrációjának csökkentése érdekében. A sebességeloszlás egyenletességét az S sebességarányban fejezzük ki, amelyet az u végső áramlási sebesség és az α∥ párhuzamos sebességeloszlás arányaként határozunk meg. Ez a sebességarány a hőforrások nagyságrendjében egyenlő; a szuperszonikus források sokkal nagyobb sebességaránnyal rendelkezhetnek. Ezért szuperszonikus forrást használunk. Sajnos a szuperszonikus források 10–10 4 mbar (millibár; 1 mbar = 100 Pa) bemeneti gáznyomást igényelnek. A Fe-nek irreálisan magas hőmérsékletre lenne szüksége, hogy ilyen gőznyomása legyen. Ezért úgy döntöttünk, hogy Fe-t használunk maggázként az Ar szuperszonikus kiterjesztésében.

Magozott szuperszonikus forrás használatával drasztikusan csökkentettük a szükséges Fe gőznyomást. Azt is követeljük, hogy a forrásból származó Fe fluxus elegendő legyen az ésszerű lerakódási sebesség eléréséhez. Ez a sebesség 2000 K körüli üzemi hőmérsékletekkel érhető el. Számos tégelytestet teszteltek, három különböző anyagból. Kiderült, hogy a nagy sűrűségű grafit feloldódik a folyékony Fe-ben. A bór-nitrid (BN) forrásokat korrodálta az olvadt Fe. Az egyetlen olyan anyag, amely ellenállónak bizonyult a Fe-vel és a szükséges magas hőmérsékletekkel szemben, a magasan tisztított alumínium-oxid (Al2O3) volt, amely képes elviselni a szublimációs hőmérséklet 2200 K-ig terjedő hőmérsékletét. Az alumínium-oxid azonban rendkívül nehéz és nehezen megmunkálható.

A jelenleg üzemelő forrást a 2. ábra szemlélteti. A tégely kialakítása az anyag miatt rendkívül egyszerű. A melegítést külsőleg végezzük úgy, hogy a tégelyt egy kemencébe helyezzük, amely egy kétszeresen feltekert grafit fűtőtekercsből áll. Az eltömődés megakadályozása érdekében az utolsó, a fúvókán található tekercset vékonyabbá tették: a többi tekercs esetében 3 × 5 mm 2 helyett 1,5 × 5 mm 2. Az áramveszteséget minimalizálja a kiterjedt hővédelem: 20 réteg tantálfólia a hengeres kemence kerülete körül és 5 réteg a fúvóka oldalán. A fúvóka oldalán egy lyuk marad, amely lehetővé teszi a gáz elterjedését. Ezen a lyukon keresztüli sugárzás a domináns áramvesztési folyamat.

Szuperszonikus Fe atomforrás, a sütővel és a gázforrással két különálló peremre (1. és 2.) szerelve, valamint a fűtési áram réz csatlakozóival (3). A Fe szuperszonikus Ar-terjeszkedésbe kerül. Az Ar egy Ta gázbemenetből (4) áramlik a forrásba. Egy hőelem (5) méri a forrás hőmérsékletét. A (6) forrás alumínium-oxidból készül, és grafit fűtőtekercszel (7) melegítik. A sütőt 20 réteg Ta-fólia (8) szigetelt, és a külseje vízhűtéses (9). A nyalábot a forráskamrából egy kihúzó (10) vonja ki.

Maga az alumínium-oxid tégely két részből áll, egy belső csőből és egy külső csőből. Az Ar a gázcsatornából a belső csőbe áramlik. Amint a belső csövön keresztül áramlik, a forrás üzemi hőmérsékletére melegítik. 1 mm-es nyíláson keresztül hagyja el a belső csövet, és belép a forráskamrába. A forráskamrában a Fe gőz és az Ar gáz keveredik. A Fe gőznek a forrásrendszerbe történő diffúzióját megakadályozza az Ar áramlása a belső és külső csövek közötti kis térben. Az Ar/Fe keverék ezután egy 230 μm átmérőjű fúvókán keresztül távozik. Ez az eltérés az argon gáz szuperszonikus tágulását okozza.

Az argon 10-1 mbar nyomású kamrává tágul; ez a nyomás nem lehet alacsonyabb a kamrába jutó nagy atomáram miatt. A háttérgázzal való ütközés következtében a terjeszkedés 20–30 mm után erős lökéshullámokkal végződik, amit Campargue-expanziónak nevezünk (17). Az állandó sugár kivonásához a forráskamrából egy kúpos permetezőt helyezünk 10–15 mm távolságra a fúvókától. A skimmer kivonja a gerenda egy részét, amely aztán sokkal jobb vákuumra tágul (10 −4 mbar), és nem ütközik ütéses fronttal. Ebben a nyalábban lévő Fe-t arra használják, hogy struktúrákat helyezzen el egy külön leválasztókamrában, amelyet 10–8 mbar háttérnyomáson tartanak.

Lézer rendszer.

Becslésünk szerint körülbelül 500 mW lézeres teljesítményre van szükség a lézeres hűtéshez és a Fe fókuszálásához. Nincsenek olyan kereskedelmi rendszerek, amelyek képesek 500 mW leadására 372 nm-en. A megfelelő hullámhosszú fény elérése érdekében megdupláztuk a kereskedelemben kapható, 744 nm-en működő Ti: S lézert az Amszterdami Szabadegyetemen épített duplázórendszer használatával.

A frekvencia megduplázása egyes anyagok nemlineáris érzékenységén alapul. A probléma teljes matematikai kezelése (19) a második harmonikus kimenő teljesítmény kvadratikus függését eredményezi a bemeneti teljesítménytől: 1 A nemlineáris kristály, amelyet a második harmonikus megszerzéséhez használunk, a lítium tribribátum (LBO). A kristályon áthaladó teljesítmény maximalizálása érdekében a kristályt egy gyűrűüregbe helyezzük, amint az a 3. ábrán látható. A gyűrűüreg négy tükrökből áll, amelyek közül három R = 0,999 és egy R = 0,99 reflexiós együtthatóval rendelkezik. A Ti: S lézerfény az R = 0,99 tükörön keresztül jut be az üregbe. Az üreg hosszát a bejövő lézerfény hullámhosszához rögzítettük Pound – Drever – Hall technika alkalmazásával (20). Az üreg finomságát 469-re számítottuk.

A Fe lézeres hűtésére alkalmazandó lézerrendszer. A 744 nm-es lézerfényt egy hangolható Ti: S lézer képezi. A gyűrű üregébe táplálják, amelyben lítium tribribátum kristály található. A kristályban 372 nm-es fény keletkezik második harmonikus generációval (SHG), amely felhasználható lézeres hűtésre. A lézerfény kis részét egy üreges katódkisülésbe (HCD) terelik, ahol a polarizációs spektroszkópia (PS) generálja azt a hibajelzést, amelyet arra használnak, hogy a lézert az 5 D4 → 5 F5 átmenet hullámhosszára hangolják.

Miután megkapta a szükséges kimeneti teljesítményt 372 nm-en, szükségünk van egy módra, hogy a lézer hullámhosszát rögzítsük az 5 D4 → 5 F5 atomátmenet hullámhosszához. Ehhez polarizációs spektroszkópiát kell végezni ezen az átmeneten (21). Atomi Fe-re van szükségünk ennek az átmenetnek a megfigyeléséhez. Beállításunk során egy üreges katódkisülés katódjából porlasztva állítjuk elő a Fe atomokat. A kisülés He-n fut 0,2 mbar nyomáson; bár ez furcsa választásnak tűnhet, az ilyen könnyű elem kis szóródási valószínűsége miatt azért választották, mert más nemesgázoknak viszonylag erős az atomátmenete 372 nm-en vagy annak közelében. Ehhez a kisüléshez polarizációs spektroszkópiát alkalmaztunk. Polarizációs spektroszkópiában az abszorpciós profil Doppler-kiszélesedését kompenzálják (21). Ez a módszer elméletileg lehetővé teszi számunkra, hogy olyan hibajelet kapjunk, amelynek csúcs-csúcs szélessége az átmenet természetes vonalszélessége által meghatározott, Γ/2π = 2,58 MHz a célátmenetünkhöz. Ennek a lézerrendszernek lehetővé kell tennie a Fe lézeres hűtését és fókuszálását.

Sugármaszkok.

Az állófény-hullám által kiváltott potenciál szinusz típusú függvény. Csak a közeli parabolikus minimumokat kívánjuk használni, és nulla háttérrel rendelkező struktúrák létrehozásához blokkoljuk a potenciál többi részét. Ezt sugármaszk használatával kívánjuk megvalósítani. Ezeknek a sugármaszkoknak lyukai vagy rései lényegesen kisebbek, mint egy hullámhossz szélességének felei, egy egész számú hullámhossz távolságánál. A rés vagy lyuk méretét 100 nm-en választottuk.

A maszkok vastagságának a résméret nagyságrendjében kell lennie gyárthatósági okokból. Ez azt jelenti, hogy a maszk mintát 100 nm vastag membránba kell vésni. A membránt a Si ostya egy részén szuszpendáljuk. Az anyagválasztást korlátozza az a tény, hogy a Si-re történő lerakódás után a legtöbb anyag belső megterhelésnek van kitéve. Ez a törzs nem lehet nyomó, hogy megakadályozza a rácsok kihajlását és későbbi deformációját. A szakítószilárdságnak szintén elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy megakadályozza a szerkezetek bepattanását, és magának az anyagnak is elég merevnek kell lennie a szakítószilárdság deformációjának megakadályozásához. Az anyag, amely ezeknek a kritériumoknak felel meg a legjobban, a SiN (22, 23).

A maszkok a szokásos Si [100] ostya egy részére vannak felszerelve. A minta marása a maszkokba két lépésben történik. Először az SiN fóliát egy ellenállóréteg borítja. A kívánt mintát elektronnyaláb-litográfiával vésik az ellenállási rétegbe. A második lépés az SiN-film tényleges maratása reaktív ionmaratással. Arra számítunk, hogy a maszkok lehetővé teszik a gömbös rendellenességek megfelelő elnyomását.

Eredmények

Folytatjuk a telepítés eddig befejezett részeinek működési tulajdonságainak megvitatását, kezdve az atomi Fe sugárforrással. Folytatjuk a lézerrendszer és a sugármaszkok megbeszélését.

Az alkalmazott robusztus forráskialakítás több mint 2 évig tartott észlelhető romlás nélkül. A tégely újratöltés nélkül működhet akár 200 órán át. A forrás tipikus működési körülményeit az 1. táblázat foglalja össze. Vizsgálatot végeztünk az e forrás által termelt Fe/Ar nyaláb tulajdonságairól. Az atomi Fe-nyaláb nyaláb tulajdonságainak legegyszerűbb módja a repülési idő módszere. Tömegspektrométerrel mértük a Fe és Ar atomok intenzitását és sebességeloszlását.

A forrás tervezési paraméterei és szabványos működési feltételei

Az optimális tágulási jellemzők meghatározásánál figyelembe kell vennünk a gerenda tökéletlen kihúzását a skimmer által. Az ideális középvonali argonnyaláb I intenzitása a szuperszonikus tágulásban a folyadékdinamika elméletéből ismert (13). Amint az áramlás áthalad a skimmeren, exponenciálisan csillapodik (18): 2 ahol q a nyaláb csillapítási paramétere, p a tégely üzemi nyomása, és I0 a tényleges középvonal sugárerőssége. Ezt a viselkedést az argon tömegspektrométer jelének változó forrásnyomáson történő figyelemmel kísérésével mértük, és így meghatároztuk q értékét. A talált érték q = 10,7⋅10 −4 mbar −1. Ugyanezt az értéket találtuk a Fe jel mérésével.

Tekintettel az Ar nyaláb intenzitására és csillapítására, kétféle módon lehet levezetni a vasnyaláb intenzitását (15). Az egyik feltételezhető, hogy a tömegspektrométer-detektor érzékenysége mindkét faj esetében azonos, és megszorozza az Ar-fluxust a Fe-jel és az Ar-jel arányával. A másik módszer az Ar fluxus szorzata a Fe és Ar forrás nyomások arányával. Mindkét módszer olyan eredményeket ad, amelyek megegyeznek egy 2-es tényezőn belül. Mindkét becslésnél a Fe nyaláb intenzitása I (0) = 10 15 s −1 sr −1 és I (0) = 10 16 s −1 sr −1 között van., az üzemi körülményektől függően. A repülés beállításának idejét a sebességeloszlás mérésére is alkalmazták. Az átlagos sebesség u = 1400 m/s volt normál üzemi körülmények között (lásd a 2. táblázatot). Ebben az esetben a sebességarány S = 11 ± 1 volt.

Az Ar – Fe nyaláb jellemző működési körülményei és tulajdonságai

A lézerrendszer UV-kimenő teljesítménye kritikusan függ az üreg finomságától, amelyet az átviteli mérések alapján 177 ± 6-ra határoztak meg. Az üreg 90-szeresére növeli a benne lévő lézer-teljesítményt, és ezáltal megnöveli a 372 nm-t. a kimenő teljesítmény 8100-szorosával. A 372 nm-es kimenő teljesítmény kvadratikusan az üregbe történő bemeneti teljesítménytől függ, konverziós hatásfok-együtthatóval K = 2,20 ± 0,05 × 10 −4 mW −1. Ez az érték lehetővé teszi a lézerrendszer számára, hogy több mint 800 mW 372 nm-es lézerfényt állítson elő, ha 2 W vörös fénnyel pumpálják. Rendszeresen 300 mW fény keletkezik 1,4 W-os szivattyúteljesítmény mellett.

Az üreges katódkisülés belsejében a vas sűrűségét és hőmérsékletét abszorpciós spektroszkópiával mértük. Az abszorpciós süllyedés FWHM-je 1,00 GHz és amplitúdója körülbelül 40% volt. A hőmérsékletet az abszorpciós merülés Doppler-szélességéből 673 ± 6 K-ra vezették le. Az abszorpciós merülés intenzitása alapján a kisülésben a vasatom sűrűségét 3,2 ± 0,2 × 10 16 m −3-ra becsülték, ami megfelel 3 × 10 −6 mbar részleges Fe gőznyomás. A polarizációs spektroszkópiai beállításunkból diszperzív hibajelet kaptunk, amelynek csúcs-csúcs szélessége 40 MHz. Ennek a hibajelnek a használatával képesek vagyunk lézerrendszerünket folyamatos zárolásban tartani a kívánt frekvencia 2 MHz-en belül.

Az előállított sugármaszkok időtartama 744,2 ± 0,7 nm, kétszerese annak a hullámhossznak, amelyet használni kívánunk. Hasított mintával, valamint pontmintával készültek. A vonalak 100 ± 4 nm szélesek, a pontok átmérője 100 ± 4 nm. Az átviteli maszkok 250 × 250 μm területet fednek le. A vonalak lerakódására szolgáló mintasugár-maszk egy részének SEM-képét a 4. ábra mutatja.

SEM kép egy maszkról, amelyet Fe vonal lerakására használnak. A vonalak egymástól 744,2 ± 0,7 nm között helyezkednek el, és 100 ± 4 nm szélességűek.