Особливості застосування нанотехнологій зондової мікроскопії в діагностиці та направленій модифікації поверхонь напівпровідникових наноструктур і 2D матеріалів
| dc.contributor.advisor | Литвин, Петро Мар’янович | |
| dc.contributor.author | Малюта, Сергій Васильович | |
| dc.date.accessioned | 2023-01-09T12:34:12Z | |
| dc.date.available | 2023-01-09T12:34:12Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstracten | Serhiy Malyuta Peculiarities of scanning probe microscopy nanotechnologies application in diagnostics and direct surface modification of semiconductor nanostructures and 2D materials. – Qualification scientific paper, manuscript. Thesis for a PhD Degree in Specialty 153 – Micro- and Nanosystem Technology. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2022. Thesis is devoted to the development of a multipurpose approach to the diagnostic of materials and structures of micro- and nanoelectronic devices using scanning probe microscopy and its application in the study of local morphological and electrophysical features of concept elements based on carbon materials and tin germanides. Scientific and applied research, presented in the dissertation, focused on the practical diagnostics of carbon films in sensor applications, synthetic semiconductor diamonds as a promising single crystal material for creating diode structures, and on studies of GeSn/Ge/Si epitaxial structures, where the tin incorporation in crystal lattice ensures the transition of germanium into a direct-band semiconductor, which is relevant for the creation of the up-todate optoelectronic devices of the mid-infrared range. The choice of objects of practical diagnostics is determined by the uniqueness of diagnostic tasks, which are practically impossible to solve by other known methods, except for scanning probe microscopy (SPM). In modern scientific and technical research, methods of SPM take one of the leading places. They are a relatively simple and very convenient tool for obtaining quantitative topographic characteristics of surfaces in the micro- and nanoscale range at solving applied problems of diagnostics support of various technological processes. However, SPM methods are rarely used to diagnose nanomechanical and local electrophysical properties. Although in many cases they are almost the only diagnostic tools that allow direct investigation of the specified physical properties of individual structural elements with micron and nanometer sizes. The implementation of such SPM measurements is significantly more difficult, compared to topography of reliefs, and in each specific case requires the development of specific methodological approaches to experimental measurements and in-depth theoretical analysis of the obtained results. The research used a whole range of SPM measurement techniques, including atomic force microscopy and spectroscopy, conductive atomic force microscopy, force Kelvinprobe microscopy, scanning spreading resistance microscopy, and scanning capacitive microscopy. Mathematical methods were also used for processing images of the investigated surfaces, which were obtained using the above-mentioned SPM techniques and modeling of various interactions of the tip of the microscope probe with the investigated surface. Current-sensitive, electric force methods of SPM and methods of measuring force interactions were adapted for the diagnosis of sensor elements based on nanostructured carbon films, single crystal plates of synthetic semiconductor diamonds, and epitaxial GeSn/Ge/Si tin germanide film structures. The protocol of the atomic force microscopy method and methods of statistical processing of the measurement results were optimized to provide topography of the surface of plasma-modified porous carbon films with characteristic sizes of relief elements of 2-3 nm. The work, in particular, developed a technique for measuring the surface adhesion forces of nanostructured carbon films based on the method of atomic force spectroscopy using the Johnson-Kendall-Roberts model of mechanical contact interactions. The effectiveness of the application of the power spectral density function for the statistical description of their reliefs is shown. Correlational dependences between parameters of plasma chemical treatments, characteristics of nano relief and adhesion energy of carbon films have been established. Based on the obtained results, the optimal parameters of their plasma treatments were determined to improve the efficiency and control the selectivity in sensor applications. A method of indexing the faces of single crystals of synthetic semiconductor diamonds and corresponding optimization of their cutting scheme to obtain plates with an optimal configuration of growth sectors was developed. The parameters of selective etching of semiconductor diamond single crystals were optimized to reveal the features of the dislocation structure at the nano range. The regularities of the change in the density of dislocations along the axis of growth and in the vicinity of intersectoral borders have been established. The effects of decorating dislocations with background impurities have been revealed. The techniques of Kelvin probe force microscopy and spreading resistance microscopy were adapted to detect local electrophysical features of intersectoral boundaries and individual dislocations and impurity clusters in single crystal semiconductor diamond plates. It was established that the intersectoral boundaries are coherent, without the accumulation of dislocation defects, and the nuclei of dislocations very weakly, in comparison with the boundaries of the sectors, show electrical activity during mapping by the contact current-sensitive method of scanning microscopy of the spreading resistance. In non-contact electrostatic mapping of the local surface potential by the Kelvin-probe force microscopy method, the etching dislocation pits are electroneutral and do not reveal a potential contrast. In non-contact electrostatic mapping of the local surface potential by the Kelvin-probe microscopy method, the etching dislocation pits are electroneutral and do not reveal a potential contrast. It was established that due to the absence of structural defects, the intersectoral boundaries provide sharp interface of the surface potential with a difference of the order of 1V, which can be used in the development of structural elements of electronic devices. The nanoindentation technique based on atomic force spectroscopy was adapted to measure the modulus of elasticity of thin films of tin germanides. Non-monotonic changes in the reduced modulus of elasticity of GeSn films were revealed when the tin content changed from 1 to 12%. This effect is explained by the peculiarities of the process of structural relaxation during changes in the thickness and component composition of GeSn films. Taking into account this nonlinearity of the change in the modulus of elasticity when changing the component composition is critically important in the tasks of deformation engineering of the GeSn band structure for the implementation of the indirect/direct-band semiconductor transition. Properties of self-induced Ge99Sn1 micro-stripes on the surface of epitaxial films Ge88Sn12 were investigated using scanning capacitive microscopy and Kelvin probe force microscopy. The effect of conductivity type inversion of p-GeSn micro-stripes when applying a bias voltage between the microscope probe and the planar ohmic contact on the surface of the Ge film was revealed. This effect can be used in the development of prototypes of diode structures. The self-induced formation of GeSn nanowires with a tin content of more than 40% was revealed. The mechanism of their formation is explained and their local electrophysical parameters are illustrated by current-sensitive probe microscopy methods. The obtained results can be used to improve the characteristics of microelectronics devices and in the development of their possible conceptual elements based on carbon materials and stanogermanides. | uk |
| dc.description.abstractuk | Малюта С.В. Особливості застосування нанотехнологій зондової мікроскопії в діагностиці та направленій модифікації поверхонь напівпровідникових наноструктур і 2D матеріалів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 - Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерства освіти і науки України, Київ, 2022. Робота присвячена розробці комплексного підходу до діагностики матеріалів і структур приладів мікро- та наноелектроніки засобами скануючої зондової мікроскопії та його застосуванню при дослідженнях локальних морфологічних та електрофізичних особливостей концепційних елементів на базі вуглецевих матеріалів та станогерманидів. Науково-прикладні дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, зосереджені на практичній діагностиці вуглецевих плівок в сенсорних застосуваннях, синтетичних напівпровідникових алмазів, як перспективного монокристалічного матеріалу для створення діодних структур та на дослідженнях епітаксійних структур GeSn/Ge/Si, де введення олова забезпечує перехід германію в прямозонний напівпровідник, що є актуальним для створення новітніх оптоелектронних приладів середнього інфрачервоного діапазону. Вибір об’єктів практичної діагностики зумовлений унікальністю діагностичних задач, які практично не можливо вирішити іншими відомими методами, крім скануючої зондової мікроскопії (СЗМ). В сучасних науково-технічних дослідженнях методи СЗМ займають одне з передових місць. Вони є відносно простим і достатньо зручним інструментом для отримання кількісних топографічних характеристик поверхонь у мікро- та нанорозмірному діапазоні при вирішенні прикладних задач діагностичного супроводу різноманітних технологічних процесів. Однак у значно меншій мірі методи СЗМ застосовуються для діагностики наномеханічних та локальних електрофізичних властивостей, хоча у багатьох випадках вони є чи не єдиними методами діагностики, які дозволяють прямо досліджувати зазначені фізичні властивості окремих структурних елементів мікронних та нанометрових розмірів. Реалізація таких СЗМ вимірювань є суттєво складнішою, у порівнянні з топографуванням рельєфів, і у кожному конкретному випадку вимагає розробки специфічних методичних підходів до експериментальних вимірювань та поглибленого теоретичного аналізу отриманих результатів. Для досліджень використовувався цілий спектр вимірювальних методик СЗМ, зокрема атомно-силова мікроскопія та спектроскопія, провідна атомно-силова мікроскопія, силова Кельвін-зонд мікроскопія, скануюча мікроскопія опору розтікання та скануюча ємнісна мікроскопія. Також застосовувались математичні методи для обробки зображень досліджуваних поверхонь, які були отримані з допомогою згаданих вище методик СЗМ та моделювання різних взаємодій вістря зонду мікроскопу із досліджуваною поверхнею. Струмочутливі, електросилові методи СЗМ та методи вимірювання силових взаємодій були адаптовані для діагностики сенсорних елементів на базі наноструктурованих вуглецевих плівок, монокристалічних пластин синтетичних напівпровідникових алмазів та епітаксійних плівкових структур станогерманиду GeSn/Ge/Si. Було оптимізовано протокол методу атомно-силової мікроскопії та способів статистичної обробки результатів вимірювань для забезпечення топографування поверхні плазмо-модифікованих пористих вуглецевих плівок із характерними розмірами елементів рельєфу 2-3 нм. Було розроблено методику вимірювання сил поверхневої адгезії наноструктурованих вуглецевих плівок на основі методу атомно-силової спектроскопії з використанням моделі механічних контактних взаємодій Джонсона-Кендалла-Робертса. Показана ефективність застосування функції спектральної густини потужності для статистичного опису їх рельєфів. Встановлені кореляційні залежності між параметрами плазмохімічних обробок, характеристиками нанорельєфу та енергією адгезії вуглецевих плівок. Спираючись на отримані результати були визначені оптимальні параметри їх плазмових обробок для покращення ефективності та керування селективністю в сенсорних застосуваннях. Було розроблено методику індексування граней монокристалів синтетичних напівпровідникових алмазів та відповідної оптимізації схеми їх розкрою для отримання пластин з оптимальною конфігурацією секторів росту. Оптимізовано параметри селективного травлення напівпровідникових монокристалів алмазів для виявлення особливостей дислокаційної структури на нанорівні. Встановлено закономірності зміни густини дислокацій вздовж осі росту та в околі міжсекторальних границь. Виявлено ефекти декорування дислокацій фоновими домішками. Адаптовано методики силової Кельвін-зонд мікроскопії та мікроскопії опору розтікання для виявлення локальних електрофізичних особливостей міжсекторальних границь та окремих дислокацій і кластерів домішок в монокристалічних пластинах напівпровідникового алмазу. Встановлено, що міжсекторальні границі є когерентними, без скупчення дислокаційних дефектів, а ядра дислокацій дуже слабо, у порівнянні з границями секторів, проявляють електричну активність при картографуванні контактним струмочутливим методом скануючої мікроскопії опору розтікання. При безконтактних електросилових картографуваннях локального поверхневого потенціалу методом Кельвін-зонд мікроскопії дислокаційні ямки травлення є електронейтральними і не виявляють потенціального контрасту. Встановлено, що завдяки відсутності структурних дефектів міжсекторальні границі забезпечують різкий перепад поверхневого потенціалу порядку 1В, що може бути використано при розробці структурних елементів електронних приладів. Адаптовано методику наноіндентування, що базується на атомно- силовій спектроскопії до вимірювання модуля пружності тонких плівок станогерманидів. Виявлено немонотонні зміни приведеного модуля пружності плівок GeSn при зміні вмісту олова від 1 до 12%. Цей ефект пояснений особливостями перебігу процесів структурної релаксації при змінах товщини і компонентного складу плівок GeSn. Врахування цієї нелінійності зміни модуля пружності при зміні компонентного складу є критично важливою в задачах деформаційної інженерії зонної структури GeSn для реалізації переходу непрямозонний/прямозонний напівпровідник. Методом скануючої ємнісної мікроскопії та силової Кельвін-зонд мікроскопії досліджено електронні властивості мікрониток Ge99Sn1 на поверхні епітаксійних плівок Ge88Sn12. Виявлено ефект інверсії типу провідності таких р-GeSn мікрониток при прикладанні напруги зміщення між зондом мікроскопу та планарним омічним контактом на поверхні плівки Ge. Цей ефект може бути використаним при розробці прототипів діодних структур. Виявлено самоіндуковане формування нанониток GeSn з вмістом олова понад 40%. Пояснено механізм їх утворення та проілюстровано їх локальні електрофізичні параметри струмочутливими методами зондової мікроскопії. Отримані результати можуть бути використані для покращення характеристик приладів мікроелектроніки та при розробці їх можливих концептуальних елементів на базі вуглецевих матеріалів та станогерманидів. | uk |
| dc.format.page | 156 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Малюта, С. В. Особливості застосування нанотехнологій зондової мікроскопії в діагностиці та направленій модифікації поверхонь напівпровідникових наноструктур і 2D матеріалів : дис. … д-ра філософії : 153 – Мікро- та наносистемна техніка / Малюта Сергій Васильович. – Київ, 2022. – 156 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/51766 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | скануюча зондова мікроскопія | uk |
| dc.subject | атомно-силова мікроскопія | uk |
| dc.subject | атомно-силова спектроскопія | uk |
| dc.subject | провідна атомно-силова мікроскопія | uk |
| dc.subject | силова Кельвінзонд мікроскопія | uk |
| dc.subject | скануюча мікроскопія опору розтікання | uk |
| dc.subject | скануюча ємнісна мікроскопія | uk |
| dc.subject | нанопористі вуглецеві плівки | uk |
| dc.subject | напівпровідникові синтетичні алмази | uk |
| dc.subject | GeSn | uk |
| dc.subject | станогерманиди | uk |
| dc.subject | scanning probe microscopy | uk |
| dc.subject | atomic force microscopy | uk |
| dc.subject | atomic force spectroscopy | uk |
| dc.subject | conducting atomic force microscopy | uk |
| dc.subject | Kelvin probe force microscopy | uk |
| dc.subject | scanning spreading resistance microscopy | uk |
| dc.subject | scanning capacitive microscopy | uk |
| dc.subject | nanoporous carbon films | uk |
| dc.subject | semiconducting synthetic diamonds | uk |
| dc.subject.udc | 538.9, 539.2, 539.3, 620.3 | uk |
| dc.title | Особливості застосування нанотехнологій зондової мікроскопії в діагностиці та направленій модифікації поверхонь напівпровідникових наноструктур і 2D матеріалів | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Maliuta_dys.pdf
- Розмір:
- 5.35 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: