Объединенная команда исследователей из Испании (исследовательский кооператив CIC nanoGUNE) и Германии (Институты Макса Планка в области биохимии и физики плазмы) опубликовали результаты бесконтактных исследований и инфракрасного картирования полей напряжений в полупроводниковых пластинах.

Метод, предложенный в публикации в интернет-журнале Nature Nanotechnology (A. J. Huber, A. Ziegler, T. Köck & R. Hillenbrand. Infrared nanoscopy of strained semiconductors, – Nature Nanotechnology Published online: 11 January 2009 | doi:10.1038/nnano.2008.399), который основан на микроскопии ближнего поля, открывает новые возможности анализа механических свойств современных материалов с высокопродуктивными свойствами. Метод позволяет картировать с высокой точностью локальные зоны электропроводности в электронных устройствах с предварительно индуцированными полями механической напряженности.

Инфракрасная визуализация развития нанотрещины. a) топография треугольных отпечатков индентора на поверхности кристалла SiC. Индентором служилострый алмазный инструмент. При увеличении силы F отпечатки становятся больше и глубже. b) инфракрасные изображения, полученные в ближнем поле, на длине волны приблизительно 10 мкм, ясно демонстрируют участки пластины вокруг отпечатка алмазного индентора, где кристаллическая матрица сжата (яркие зоны) или растянута (темные зоны). (Фото: Andreas Huber, Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried)

Визуализация напряжений масштаба 100 нм и менее является ключевым требованием в современной метрологии, поскольку напряжжения определяют механические и электрические свойства высокопродуктивной керамики или современных электронных устройств, соответственно. Однако, до сих пор, картирование напряжений с нано разрешением по-прежнему является проблемой.

Многообещающим для высокочувствительного и бесконтактного картирования свойств материалов с нано точностью является использование рассеивающей сканирующей оптической микроскопии ближнего поля (Scanning Near-field Optical Microscopy- sSNOM). Часть данной группы исследователей участвовала в пионерских разработках и продвижении этой современной технологии, создав инструмент для химических методов распознавания наноструктур и картирования локальной проводимости в промышленных наноустройствах. Метод использует излучение с высокой плотностью мощности на самом конце щупа атомно-силового микроскопа; при этом регистрируются изображения с нано разрешением в видимом, инфракрасном и терагерцовом излучении. Метод позволяет превзойти дифракционные ограничения и получить разрешение 20 нм, что вполне удовлетворяет требования современной нано науки и технологии.

В данной работе впервые продемонстрированы экспериментальные результаты картирования локальных напряжений и трещин нанскопических размеров, полученные с использованием способов микроскопии. Эти результаты были продемонстрированы с использованием алмазного индентора, который вдавливали в поверхностный слой кристалла карбида кремния. С помощью микроскопии ближнего поля ученые визуализировали поле наноразмерных напряжений и образование нанотрещин вокруг отпечатка индентора (см. рисунок).

Исследователи также показали, что метод sSNOM дает возможность картирования также и других физико-механических изменений материала- таких, например, как плотность и подвижность свободных носителей в кремнии, находящемся в напряженном состоянии. Контролируя напряженное состяние кремниевой подложки, можно проектировать свойства свободных носителей, что очень важно для последующего уменьшения размеров и повышения быстродействия компьютерных чипов. Такие результаты были всегда крайне желательны, но до настоящих исследований не имелось ни метода, ни средств для их получения.

Евгений Биргер