RU2753399C1 - Method for creating quantum dots for element base of radio engineering - Google Patents

Method for creating quantum dots for element base of radio engineering Download PDF

Info

Publication number
RU2753399C1
RU2753399C1 RU2020138803A RU2020138803A RU2753399C1 RU 2753399 C1 RU2753399 C1 RU 2753399C1 RU 2020138803 A RU2020138803 A RU 2020138803A RU 2020138803 A RU2020138803 A RU 2020138803A RU 2753399 C1 RU2753399 C1 RU 2753399C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
target
film
quantum dots
vacuum chamber
Prior art date
Application number
RU2020138803A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Борисович Омороков
Original Assignee
Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Концерн "Созвездие" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Priority to RU2020138803A priority Critical patent/RU2753399C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753399C1 publication Critical patent/RU2753399C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/351—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using a magnetic field in close vicinity to the substrate

Abstract

FIELD: nanoelectronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of nanoelectronics, namely to the technology of forming nanostructures on the surface of a solid, and can be used to create field-effect transistors, photocells, light-emitting diodes, laser diodes. The method for producing quantum dots includes magnetron sputtering of a target onto a substrate at a constant current in a reaction vacuum chamber, while onto a heat-resistant substrate that can withstand temperatures up to 500°C, by sputtering a target consisting of carbon and aluminum with a ratio of their areas occupied in the target equal to 8:1, a film with a thickness of 1 to 7 micrins is applied, after which the substrate with the film is kept in a reaction vacuum chamber for at least 5 min, with the formation on the film surface of quantum dots with a diameter of 10 to 150 nm with internal cavities and walls made of graphene with impurities of aluminum oxide, moreover, in the reaction vacuum chamber during and after application of the film to the substrate, a constant total partial pressure of a gas mixture of 0.4 Pa (3×10-3 mm Hg), consisting of 5% oxygen and 95% argon is maintained. Magnetron sputtering of the target is carried out at a substrate temperature of 20°C, the magnetron power released on the target is from 3 to 5 W/cm2, the distance between the sputtered target and the substrate is 4 cm.
EFFECT: formation of isolated carbon quantum dots with low adhesion to a film on a thermally stable substrate using a highly productive technology.
1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области технологии наноэлектроники, а именно к технологии формирования наноструктур с квантовыми эффектами на поверхности твердого тела, и может быть использовано для создания полевых транзисторов, фотоэлементов, светодиодов, лазерных диодов [Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. - Методические материалы. - Москва: ФНМ МГУ, 2007. - 34 с.].The invention relates to the field of nanoelectronic technology, namely to the technology of forming nanostructures with quantum effects on the surface of a solid, and can be used to create field-effect transistors, photocells, LEDs, laser diodes [Vasiliev RB, Dirin DN Quantum dots : synthesis, properties, application. - Methodical materials. - Moscow: FNM MGU, 2007. - 34 p.].

Особое место в развитии наноэлектроники отводится наноструктурам на основе массивов квантовых точек (наноточек), изолированных друг от друга.A special place in the development of nanoelectronics is assigned to nanostructures based on arrays of quantum dots (nanodots) isolated from each other.

Известен способ изготовления квантовых точек из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки, бóльшую, чем материал подложки [патент RU 2278815 С1, B82B 3/00 опубл. 27.06.2006, Бюл. № 18]. Между напряженной пленкой, из которой получают квантовые точки, и подложкой выращивают жертвенный слой, который затем селективно удаляют под заданной областью пленки. Этот подход основан на использовании процессов самоорганизации, происходящих при частичном отсоединении от подложки сжатых пленок. Плоская форма сжатой пленки неустойчива и при отсоединении от подложки пленка стремится приобрести форму с минимальной энергией упругой деформации, приобретает выпуклую или гофрированную форму, образовывая одиночные или периодические структуры.A known method of manufacturing quantum dots from a material having a crystal lattice constant greater than the substrate material [patent RU 2278815 C1, B82B 3/00 publ. 06/27/2006, Bul. No. 18]. A sacrificial layer is grown between the strained film from which the quantum dots are obtained and the substrate, which is then selectively removed under a predetermined region of the film. This approach is based on the use of self-organization processes occurring during partial detachment of compressed films from the substrate. The flat shape of the compressed film is unstable, and when detached from the substrate, the film tends to acquire a shape with a minimum elastic deformation energy, acquires a convex or corrugated shape, forming single or periodic structures.

Недостатком данного способа является то, что он позволяет создавать квантовые точки только из сплошных пленок определенных материалов с фиксированным стехиометрическим составом (чаще всего GaAs или AlxGa1-xAs, где x не превосходит 0,4, или у которых период решетки сильно отличается от периода решетки подложки). Кроме того, этот способ нанолитографии требует сложного дорогостоящего оборудования для обеспечения доступа селективного травителя к жертвенному слою AlAs в требуемые участки подложки. The disadvantage of this method is that it allows you to create quantum dots only from continuous films of certain materials with a fixed stoichiometric composition (most often GaAs or AlxGa1-xAs, where x does not exceed 0.4, or in which the lattice period is very different from the lattice period of the substrate ). In addition, this nanolithography method requires complex and expensive equipment to provide the selective etchant with access to the AlAs sacrificial layer in the required areas of the substrate.

Известен способ формирования зародышевого ряда квантовых точек [патент RU 2543696 С2, B82B 3/00 опубл. 10.03.2015, Бюл. № 2], при котором слои напряженного материала чередуют со слоями ненапряженного материала. Недостатком данного способа является то, что количество пар таких слоев достигает 12, что еще более усложняет технологию получения наноструктур.There is a known method of forming a germ line of quantum dots [patent RU 2543696 C2, B82B 3/00 publ. 03/10/2015, Bul. No. 2], in which layers of stressed material alternate with layers of unstressed material. The disadvantage of this method is that the number of pairs of such layers reaches 12, which further complicates the technology of obtaining nanostructures.

Известен способ получения наночастицих плазменным осаждением на подложку путем размещения исходной подложки внутри вакуумной камеры, откачки вакуумной камеры, напуска плазмообразующего инертного газа, зажигания плазмы, бомбардировки мишени [патент RU 2476620 С1, C23C 14/38, B82B 3/00, H01F 1/01 опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6]. Размер наночастиц в таком случае изменяют за счет намагничивания в заданном направлении и повторении цикла осаждения. Недостатком данного способа является то, что полученные частицы вследствие особенности роста приобретают магнетизм, который при создании радиоэлектронных устройств может вызывать помехи из-за магнитного поля электронных компонентов, в состав которых входят эти наночастицы.A known method of producing nanoparticles by plasma deposition on a substrate by placing the original substrate inside a vacuum chamber, pumping out the vacuum chamber, injecting a plasma-forming inert gas, igniting the plasma, bombarding the target [patent RU 2476620 C1, C23C 14/38, B82B 3/00, H01F 1/01 publ. 02.27.2013, Bul. No. 6]. The size of the nanoparticles is then changed by magnetizing in a given direction and repeating the deposition cycle. The disadvantage of this method is that the resulting particles, due to the peculiarities of growth, acquire magnetism, which, when creating electronic devices, can cause interference due to the magnetic field of the electronic components, which include these nanoparticles.

Известен способ получения углеродных наноструктур (нанотрубок, фуллеренов, графен) химическим осаждением из паровой фазы газообразного источника углерода [патент RU 2579075 С2, C01B 31/02, B82B 1/00, B82B 3/00, B82Y 30/00, B82Y 40/00 опубл. 27.10.2014, Бюл. № 30]. Недостатком способа является необходимость перед выращиванием углеродных наноструктур получать каталитические металлические наночастицы с постоянным размером (отклонением от среднего значения не более 10%), что является технически сложной задачей, связанной с необходимостью контроля размера каждой частицы. Также эти наночастицы необходимо привести в контакт с подложкой таким образом, чтобы она не вступала в непреднамеренную реакцию с активным металлическим катализатором во время нагревания, что существенно ограничивает выбор подложек для данного способа.A known method of producing carbon nanostructures (nanotubes, fullerenes, graphene) by chemical vapor deposition of a gaseous carbon source [patent RU 2579075 C2, C01B 31/02, B82B 1/00, B82B 3/00, B82Y 30/00, B82Y 40/00 publ. 10/27/2014, Bul. No. 30]. The disadvantage of this method is the need to obtain catalytic metal nanoparticles with a constant size (deviation from the average value of no more than 10%) before growing carbon nanostructures, which is a technically difficult task associated with the need to control the size of each particle. Also, these nanoparticles must be brought into contact with the substrate so that it does not inadvertently react with the active metal catalyst during heating, which significantly limits the choice of substrates for this method.

Известен способ получения углеродных наноструктур (углеродных глобул и нанотрубок различной формы) магнетронным напылением при постоянном токе на подложку в вакуумной камере в атмосфере инертного газа углеродных пленок с нанотрубками [патент RU № 2355625 С1, В82В 3/00, С23С 14/35 от 20.05.2009 опубл. 20.05.2009, Бюл. № 14]. Перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла (золота) методом термического нагревания золота в вакуумной камере. Недостатками данного способа являются: во-первых, нетехнологичность - необходимо использовать два типа осаждения - термического испарения для роста тонкого слоя золота, являющегося катализатором для дальнейшего роста нанотрубок, и магнетронного распыления в среде инертного газа углерода для роста наноструктур. Оборудование для разных видов конденсации существенно отличается. Эти операции нельзя провести одновременно. Во-вторых, в способе используется дорогой катализатор - золото. В-третьих, к недостаткам этого способа также следует отнести ограниченную номенклатуру получаемых наноструктур (Х- и Y-образные нанотрубки), а также глобулы (нанокурганы); наноточки получить не удается.A known method of producing carbon nanostructures (carbon globules and nanotubes of various shapes) by magnetron sputtering at constant current on a substrate in a vacuum chamber in an inert gas atmosphere of carbon films with nanotubes [patent RU No. 2355625 C1, B2B 3/00, C23C 14/35 from 20.05. 2009 publ. 05/20/2009, Bul. No. 14]. Before magnetron sputtering, a catalyst in the form of a thin metal (gold) film is applied to the substrate by thermal heating of gold in a vacuum chamber. The disadvantages of this method are: firstly, low-tech - it is necessary to use two types of deposition - thermal evaporation for the growth of a thin layer of gold, which is a catalyst for further growth of nanotubes, and magnetron sputtering in an inert carbon gas for the growth of nanostructures. The equipment for different types of condensation is significantly different. These operations cannot be performed at the same time. Secondly, the method uses an expensive catalyst - gold. Thirdly, the disadvantages of this method should also include a limited range of the resulting nanostructures (X- and Y-shaped nanotubes), as well as globules (nanokurgans); nanodots cannot be obtained.

Известен способ получения углеродных наноструктур на поверхности твердого тела [патент RU № 2319663 С1, В82В 3/00, опубл. 20.03.2008, Бюл. № 8]. Он заключается в том, что на поверхности твердого тела облучают выбранные участки подложки электронным пучком (нанозондом), на которую предварительно нанесен материал-резист (пленка фуллерита). Сформированное электронным зондом изображение проявляют помещением подложки в органический растворитель, например, в толуол, либо, как в способе [патент RU 2228900 С1, В82В 3/00, C 01 B 31/00, опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14] путем испарения в вакууме необлученных участков при температуре, достаточной для сублимации фуллерита. Недостатками таких способов являются ограниченная разрешающая способность электронного пучка и необходимость контролировать структурные изменения в пленке в процессе облучения и травления.A known method of producing carbon nanostructures on the surface of a solid [patent RU No. 2319663 C1, В82В 3/00, publ. 03/20/2008, Bul. No. 8]. It consists in irradiating selected areas of the substrate with an electron beam (nanoprobe), on which a resist material (fullerite film) is previously applied. The image formed by the electron probe is developed by placing the substrate in an organic solvent, for example, in toluene, or, as in the method [patent RU 2228900 C1, В82В 3/00, C 01 B 31/00, publ. 05/20/2014, Bul. No. 14] by evaporation in a vacuum of unirradiated areas at a temperature sufficient for the sublimation of fullerite. The disadvantages of such methods are the limited resolution of the electron beam and the need to control the structural changes in the film during irradiation and etching.

Известен способ контролированного роста квантовых точек из коллоидного золота [патент RU № 2533533 С1, G01Q 80/00, B82B 3/00, B82Y 40/00 опубл. 20.11.2014, Бюл. №32]. В данном случае предложено выращивать квантовые точки при отрицательном приложенном напряжении между иглой кантилевера совмещенного сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов и проводящей подложкой, причем в процессе роста квантовых точек периодически переключают полярность внешнего напряжения с отрицательной на положительную и фиксируют единичный пик на туннельных вольт-амперных характеристиках при определенном значении приложенного напряжения из диапазона значений от 1 до 5 В. Рост квантовой точки завершается, когда единичный пик наблюдается при том же значении приложенного напряжения, что и для контрольной квантовой точки заданного размера.A known method of controlled growth of quantum dots from colloidal gold [patent RU No. 2533533 C1, G01Q 80/00, B82B 3/00, B82Y 40/00 publ. 20.11.2014, Bul. No. 32]. In this case, it is proposed to grow quantum dots at a negative applied voltage between the cantilever tip of the combined scanning tunneling and atomic force microscopes and the conducting substrate, and during the growth of quantum dots, the polarity of the external voltage is periodically switched from negative to positive and a single peak is recorded on the tunneling current-voltage characteristics at a certain value of the applied voltage from the range of values from 1 to 5 V. The growth of a quantum dot is completed when a single peak is observed at the same value of the applied voltage as for a control quantum dot of a given size.

Недостатком данного способа является его низкая производительность - каждая квантовая точка создается последовательно.The disadvantage of this method is its low performance - each quantum dot is created sequentially.

Известен способ формирования наноточек на поверхности кристалла [патент RU 2539757 С1, B82B 3/00 опубл. 27.01.2015, Бюл. № 3]. В данном способе осуществляется конденсация на поверхность подложки материала, предназначенного для формирования наноточек, при этом в вакууме получают скол монокристалла, который используют в качестве подложки, на которой создают регулярно расположенные точечные дефекты. Затем на поверхность подложки при повышенных температурах проводят конденсацию материала, предназначенного для формирования наноточек.A known method of forming nanodots on the surface of the crystal [patent RU 2539757 C1, B82B 3/00 publ. 01/27/2015, Bul. No. 3]. In this method, the material intended for the formation of nanodots is condensed on the surface of the substrate, while a single crystal is cleaved in vacuum, which is used as a substrate on which regularly spaced point defects are created. Then, the material intended for the formation of nanodots is condensed onto the surface of the substrate at elevated temperatures.

Данный способ также имеет ряд недостатков. Шаблон для облучения подложки требует очень точного изготовления, поскольку расстояние между соседними наноточками не превышает 20 мкм. Время конденсации определить довольно сложно, поскольку оно является расчетной величиной, связанной с эффективным диаметром наноточки, который в процессе роста непрерывно меняется. Скол монокристалла должен постоянно находиться в вакууме, поскольку, как только он попадет на открытый воздух, на сколотую поверхность сразу же сконденсируются пары воды и другие примеси, которые станут центрами зарождения [Точицкий Э.И. Кристаллизация и термообработка тонких пленок / Э.И. Точицкий. – Минск: Наука и техника, 1976. – 311 с.]. This method also has several disadvantages. A template for irradiating a substrate requires very precise fabrication, since the distance between adjacent nanodots does not exceed 20 μm. It is rather difficult to determine the condensation time, since it is a calculated value associated with the effective diameter of a nanodot, which continuously changes during growth. The chip of a single crystal must be constantly in a vacuum, because as soon as it gets into the open air, water vapor and other impurities will immediately condense on the cleaved surface, which will become centers of nucleation [Tochitsky E.I. Crystallization and heat treatment of thin films / E.I. Tochitsky. - Minsk: Science and technology, 1976. - 311 p.].

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения квантовых точек, включающий магнетронное распыление мишени на подложку при постоянном токе в реакционной вакуумной камере (CN 0103663437 А, 26.03.2014).Closest to the proposed method is a method for producing quantum dots, including magnetron sputtering of a target onto a substrate at a constant current in a reaction vacuum chamber (CN 0103663437 A, 03/26/2014).

Способ имеет ряд недостатков.The method has several disadvantages.

1. В мишени, помимо оксидов, должен содержаться высокочистый графит. Очистка графита требует отдельного технологического процесса, что увеличивает трудоемкость способа. 1. In addition to oxides, the target must contain high-purity graphite. Purification of graphite requires a separate technological process, which increases the complexity of the method.

2. Высокие требования к чистоте подложки. Способ требует длительной предварительной обработки подложки с использованием ацетона, спирта газообразного азота высокой чистоты, а также сложных технологий ультразвуковой очистки и очистки ионно-лучевой пушкой для удаления органических веществ. Однако полное удаление реактивов и примесей с поверхности подложки невозможно проконтролировать. При производстве наноструктур следует использовать способы, в которых влияние различных факторов, в частности, подложки, на конечный продукт максимально исключено для уменьшения брака.2. High requirements for the cleanliness of the substrate. The method requires long-term pre-treatment of the substrate using acetone, high-purity gaseous alcohol, as well as complex technologies of ultrasonic cleaning and cleaning with an ion-beam gun to remove organic substances. However, the complete removal of reagents and impurities from the substrate surface cannot be controlled. In the production of nanostructures, methods should be used in which the influence of various factors, in particular, the substrate, on the final product is maximally excluded in order to reduce scrap.

3. Способ позволяет получить наноточки на стеклянной подложке, которые имеют с ней высокую адгезию. В наноэлектронике представляют интерес объекты, которые можно было бы получить на кремниевой подложке или независимыми от подложки для размещения слоями в нужном месте платы, а также коллоидных растворов с нужной концентрацией.3. The method makes it possible to obtain nanodots on a glass substrate, which have high adhesion to it. In nanoelectronics, objects of interest that could be obtained on a silicon substrate or independent of the substrate for placement in layers in the right place of the board, as well as colloidal solutions with the required concentration.

Задачей изобретения является получение наночастиц (квантовых точек) со слабой адгезией с подложкой без использования дорогостоящих катализаторов, жертвенных слоев из драгоценных металлов или других затратных технологических операций.The objective of the invention is to obtain nanoparticles (quantum dots) with poor adhesion to the substrate without the use of expensive catalysts, sacrificial layers of precious metals or other costly technological operations.

Техническим результатом изобретения является разработка высокопродуктивного способа формирования изолированных углеродных квантовых точек на термически стойкой подложке. The technical result of the invention is the development of a highly productive method for the formation of isolated carbon quantum dots on a thermally resistant substrate.

Для решения поставленной задачи в известном способе, включающем магнетронное распыление мишени на подложку при постоянном токе в реакционной вакуумной камере, согласно изобретению , что на термостойкую подложку, выдерживающую температуру до 500°С, распылением мишени, состоящей из углерода и алюминия при отношении их площадей, занимаемых в мишени, равном 8:1, наносят пленку толщиной от 1 до 7 мкм, после чего выдерживают подложку с пленкой в реакционной вакуумной камере не менее 5 мин, с образованием на поверхности пленки квантовых точек диаметром от 10 до 150 нм с внутренними полостями и стенками из графена с примесями оксида алюминия, при этом в реакционной вакуумной камере во время и после нанесения пленки на подложку поддерживают постоянное суммарное парциальное давление смеси газов 0,4 Па, состоящей из 5% кислорода и 95% аргона.To solve this problem in a known method, including magnetron sputtering of a target onto a substrate at a constant current in a reaction vacuum chamber, according to the invention , on a heat-resistant substrate that can withstand temperatures up to 500 ° C, by sputtering a target consisting of carbon and aluminum at the ratio of their areas, occupied in the target, equal to 8: 1, a film with a thickness of 1 to 7 μm is applied, after which the substrate with the film is kept in a reaction vacuum chamber for at least 5 min, with the formation on the film surface of quantum dots with a diameter of 10 to 150 nm with internal cavities and walls made of graphene with impurities of aluminum oxide, while in the reaction vacuum chamber during and after the deposition of the film on the substrate, a constant total partial pressure of a gas mixture of 0.4 Pa, consisting of 5% oxygen and 95% argon, is maintained.

Дополнительно, магнетронное распыление мишени осуществляют при следующих параметрах: температура подложки 20°С, мощность магнетрона, выделяемая на мишени, от 3 до 5 Вт/см2, расстояние между распыляемой мишенью и подложкой 4 см.Additionally, magnetron sputtering of the target is carried out with the following parameters: substrate temperature 20 ° C, magnetron power released on the target from 3 to 5 W / cm 2 , distance between the sputtered target and the substrate 4 cm.

Заявляемый способ заключается в следующем.The claimed method is as follows.

Осуществляют распыление мозаичной мишени, состоящей из углерода и алюминия, в магнетронной распылительной системе. Несмотря на то, что осаждение осуществляют при комнатной температуре, подложка в заявленном способе должна выдерживать до 500°С (может быть выполнена из любого термостойкого материала). Это связано с повышением эффективной температуры поверхностного слоя при магнетронном распылении. Существует эмпирическая связь между эффективной температурой и мощностью магнетрона. Для реализации описываемого способа мощность магнетрона, выделяемая на мишени, должна быть не менее 3 Вт/см2 (для обеспечения дополнительной диффузии конденсируемых атомов по поверхности подложки) и не более 5 Вт/см2. Превышение этого значения может привести к разрушению подложки.A mosaic target consisting of carbon and aluminum is sputtered in a magnetron sputtering system. Despite the fact that the deposition is carried out at room temperature, the substrate in the claimed method must withstand up to 500 ° C (can be made of any heat-resistant material). This is due to an increase in the effective temperature of the surface layer during magnetron sputtering. There is an empirical relationship between effective temperature and magnetron power. To implement the described method, the magnetron power released on the target must be at least 3 W / cm 2 (to provide additional diffusion of condensed atoms over the substrate surface) and not more than 5 W / cm 2 . Exceeding this value can lead to destruction of the substrate.

Для реализации заявленного способа содержание алюминия должно быть минимально, поскольку при его дальнейшем окислении образуется оксид алюминия, который не обладает полупроводниковыми свойствами. Однако присутствие Al2O3 необходимо для самоорганизации заявленных наноструктур. Для достижения оптимального соотношения компонентов конденсата отношение площадей, занимаемых в составной мишени углеродом и алюминием, должно быть 8:1. Распыление осуществляют в реакционной вакуумной камере в атмосфере кислород-аргон при парциальном давлении 0,4 Па (3×10-3 мм рт.ст.) и постоянном соотношении газов, равном: 5% кислорода и 95% аргона.For the implementation of the claimed method, the aluminum content should be minimal, since during its further oxidation, aluminum oxide is formed, which does not possess semiconducting properties. However, the presence of Al 2 O 3 is necessary for the self-assembly of the claimed nanostructures. To achieve an optimal ratio of condensate components, the ratio of the areas occupied by carbon and aluminum in the composite target should be 8: 1. Spraying is carried out in a reaction vacuum chamber in an oxygen-argon atmosphere at a partial pressure of 0.4 Pa (3 × 10 -3 mm Hg) and a constant gas ratio of 5% oxygen and 95% argon.

На подложке получают толстую пленку (около 1 мкм), чтобы исключить энергетическое влияние подложки на формируемые наноструктуры. Следует отметить, что толщина пленки не должна превышать 7 мкм, поскольку после превышения этого значения происходит разрушение сплошности пленки и отделении ее от подложки с распадом на множество частей. Полученная пленка состоит из углерода и оксида алюминия.A thick film (about 1 μm) is obtained on the substrate in order to exclude the energy effect of the substrate on the nanostructures being formed. It should be noted that the thickness of the film should not exceed 7 μm, since after exceeding this value, the continuity of the film is destroyed and it is separated from the substrate with decomposition into many parts. The resulting film is composed of carbon and aluminum oxide.

После того, как воздействие подложки исключено, экспериментальным путём было выявлено уникальное свойство углерода к самоорганизации. Для получения наноструктур на пленке, представляющих собой квантовые точки, в конденсате основным компонентом должен быть углерод, но при этом необходимо присутствие небольшого количества оксида алюминия. Под действием магнетронного распыления атомы, сконденсированные на поверхность полученной толстой пленки, находятся в возбужденном состоянии из-за локального повышения температуры приповерхностного слоя, вследствие бомбардировки поверхности ионами из газовой атмосферы камеры. Это состояние (с увеличенным диффузионным пробегом атомов) сохраняется в течение некоторого времени (около 5 минут). Именно в этот промежуток времени происходит самоорганизация углерода (с незначительной примесью оксида алюминия). Во время магнетронного распыления и сразу после его прекращения протекает химическая реакция окисления алюминия с образованием оксида алюминия Al2O3 и углерода с образованием углекислого газа. Как только образуются квантовые точки, этот процесс происходит и внутри них, что приводит к формированию наноструктур в форме сфер, стенки которых представляют собой графен, а внутри находится диоксид углерода. Повышенная подвижность адсорбированных атомов (адатомов) углерода в сочетании с количеством образовавшегося углекислого газа определяет размер квантовых точек и их число на поверхности пленки. Затем углекислый газ выходит из полученной структуры с образованием выходного отверстия. На подложке, покрытой пленкой, остается структура, которая состоит из углерода (до 99 %) и имеет незначительные примеси оксида алюминия. After the influence of the substrate was excluded, the unique property of carbon to self-organization was revealed experimentally. To obtain quantum dot nanostructures on a film, the main component in the condensate must be carbon, but a small amount of alumina must be present. Under the action of magnetron sputtering, atoms condensed on the surface of the obtained thick film are in an excited state due to a local increase in the temperature of the near-surface layer due to the bombardment of the surface by ions from the gas atmosphere of the chamber. This state (with an increased diffusion range of atoms) persists for some time (about 5 minutes). It is during this period of time that self-organization of carbon occurs (with an insignificant admixture of aluminum oxide). During magnetron sputtering and immediately after its termination, a chemical reaction of aluminum oxidation occurs with the formation of aluminum oxide Al 2 O 3 and carbon with the formation of carbon dioxide. As soon as quantum dots are formed, this process also occurs inside them, which leads to the formation of nanostructures in the form of spheres, the walls of which are graphene, and inside is carbon dioxide. The increased mobility of adsorbed carbon atoms (adatoms) in combination with the amount of carbon dioxide formed determines the size of quantum dots and their number on the film surface. The carbon dioxide then leaves the resulting structure to form an outlet. On the substrate covered with a film, a structure remains, which consists of carbon (up to 99%) and has minor impurities of aluminum oxide.

Из фиг. 1 видно, что контакт квантовой точки с пленкой очень мал. Кроме того, установлено, что при высоких температурах подложки квантовые точки способны самопроизвольно перемещаться по поверхности. Поэтому можно утверждать, что адгезия квантовых точек с пленкой крайне низкая. Этот факт предполагает возможность получения квантовых точек отдельно от подложки. Получение свободных квантовых точек может быть реализовано путем травления подложки с пленкой, на которой получены квантовые точки, соответствующими химическими реактивами.From FIG. 1 that the contact of the quantum dot with the film is very small. In addition, it was found that at high substrate temperatures, quantum dots are able to spontaneously move over the surface. Therefore, it can be argued that the adhesion of quantum dots to the film is extremely low. This fact suggests the possibility of obtaining quantum dots separately from the substrate. Free quantum dots can be obtained by etching a substrate with a film on which quantum dots are obtained using appropriate chemical reagents.

В результате описанных операций получают квантовые точки диаметром от 10 нм до 150 нм, которые имеют внутренние полости. Стенки каждой квантовой точки представляют собой графен с незначительными примесями Al2O3, т.е. толщина стенки не превышает один атом углерода. As a result of the described operations, quantum dots with a diameter of 10 nm to 150 nm are obtained, which have internal cavities. The walls of each quantum dot are graphene with insignificant Al 2 O 3 impurities; the wall thickness does not exceed one carbon atom.

Изобретение поясняется с помощью иллюстрации. The invention is illustrated by way of illustration.

На фиг. 1 представлена микрофотография пленки, сконденсированной при температуре 20°С на подложку из стали марки 12Х18Н10Т. На поверхности пленки видны квантовые точки. Увеличение 30000 раз.FIG. 1 shows a micrograph of a film condensed at a temperature of 20 ° C on a 12Kh18N10T steel substrate. Quantum dots are visible on the film surface. Magnification 30,000 times.

По сравнению с прототипом, заявляемый способ позволяет создать уникальные полупроводниковые наноструктуры, которые за счет размерного эффекта обладают квантовым эффектом. Дорогостоящие катализаторы не применяются.Compared with the prototype, the proposed method allows you to create unique semiconductor nanostructures, which due to the size effect have a quantum effect. Expensive catalysts are not used.

Наблюдаемая структура отличается от прототипа, поскольку углерод в присутствии оксида алюминия образует не трубку, а сферу. Поэтому квантовые эффекты полученных структур более выражены, чем у нанотрубок, полученных по способу прототипа. Незначительные примеси, встроенные в решетку углерода, не влияют на свойства полученных структур.The observed structure differs from the prototype, since carbon in the presence of aluminum oxide forms not a tube, but a sphere. Therefore, the quantum effects of the obtained structures are more pronounced than those of nanotubes obtained by the prototype method. Minor impurities embedded in the carbon lattice do not affect the properties of the resulting structures.

Заявленный способ позволяет получить квантовые точки:The claimed method makes it possible to obtain quantum dots:

- из материала, обеспечивающего полупроводниковые свойства;- from a material providing semiconductor properties;

- с низкой адгезией к поверхности;- with low adhesion to the surface;

- без использования драгоценных и дорогостоящих материалов.- without the use of precious and expensive materials.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Устройство для реализации предлагаемого способа включает установку магнетронного распыления материала, например, установка магнетронного распыления «Магна ТМ 7» с вакуумной камерой [Установка магнетронного распыления «Магна ТМ 7» в технологии создания тонкопленочных ГИС СВЧ» / Р. Каракулов, В. Одиноков, В. Панин и др. - Наноиндустрия. - 2017. - № 2. - С. 81 - 86] или ее аналог), ротаметра, например, [Ротаметр МОД 679 купить [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ooorotametr.ru/catalog_pribor/rotametr-mod-679/, свободный - (26.05.20)], вакуумных дозаторов газов, например, 16-16 [Vakuumny-dozator-16-16 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://gbo2.ru/komplektujushhie/smesiteldozator/vakuumnyy-dozator-16-16, свободный - (26.05.20)].The proposed method can be carried out using means known in the art. The device for implementing the proposed method includes an installation for magnetron sputtering of material, for example, a magnetron sputtering unit "Magna TM 7" with a vacuum chamber [Installation of magnetron sputtering "Magna TM 7" in the technology of creating thin-film GIS microwave "/ R. Karakulov, V. Odinokov, V. Panin et al. - Nanoindustry. - 2017. - No. 2. - P. 81 - 86] or its analogue), a rotameter, for example, [MOD 679 rotameter buy [Electronic resource]. - Access mode: https://www.ooorotametr.ru/catalog_pribor/rotametr-mod-679/, free - (05/26/20)], vacuum gas dispensers, for example, 16-16 [Vakuumny-dozator-16-16 [ Electronic resource]. - Access mode: https://gbo2.ru/komplektujushhie/smesiteldozator/vakuumnyy-dozator-16-16, free - (05/26/2020)].

Пример. Квантовые углеродные наноточки получали магнетронным распылением составной мишени (11,1% площади поверхности занимает Al, 88,8% площади - углерод) на толстой пленке (1 мкм), состоящей из этих же материалов. В качестве подложки использовалась сталь марки 12Х18Н10Т. Удельная мощность магнетрона, выделяемая на мишени, составила 5 Вт/см2, что соответствует току питания мишени около 0,2-0,3 А (200-300 мА). Подложка расположена на расстоянии 4 см от магнетрона. Парциальное давление кислорода в вакуумной камере установки магнетронного распыления поддерживается строго постоянной с помощью ротаметра (5% от общего объема газа в камере кислород, остальное - аргон) и двух вакуумных дозаторов (для кислорода и аргона). Суммарное парциальное давление аргона и кислорода также поддерживалось постоянным 0,4 Па (3×10-3 мм рт.ст). Эксперимент проводили при комнатной температуре (температура подложки 20°С).Example. Quantum carbon nanodots were obtained by magnetron sputtering of a composite target (11.1% of the surface area is occupied by Al, 88.8% of the area is carbon) on a thick film (1 μm) consisting of the same materials. 12Kh18N10T steel was used as a substrate. The specific power of the magnetron released on the target was 5 W / cm 2 , which corresponds to a target supply current of about 0.2-0.3 A (200-300 mA). The substrate is located at a distance of 4 cm from the magnetron. The oxygen partial pressure in the vacuum chamber of the magnetron sputtering installation is maintained strictly constant using a rotameter (5% of the total gas volume in the chamber is oxygen, the rest is argon) and two vacuum dispensers (for oxygen and argon). The total partial pressure of argon and oxygen was also kept constant at 0.4 Pa (3 × 10 -3 mm Hg). The experiment was carried out at room temperature (substrate temperature 20 ° C).

Исследование субструктуры и фазового состава пленок проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6380LV JEOL с системой микроанализа INCA 250 [Растровый электронный микроскоп-система микроанализа - Институт высокотемпературной электрохимии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ihte.uran.ru/?page_id=1419, свободный - (28.05.20)]. На подложке была получена пленка, состоящая из смеси кристаллов графита и оксида алюминия. На поверхности пленки получены квантовые точки (фиг. 1), состоящие из углерода. Анализ фиг. 1 показывает, что площадь контакта квантовой точки с подложкой мала, что говорит о малой адгезии квантовой точки и возможности ее отделения от подложки травителями.The study of the substructure and phase composition of the films was carried out on a JSM-6380LV JEOL scanning electron microscope with an INCA 250 microanalysis system [Scanning electron microscope-microanalysis system - Institute of high-temperature electrochemistry [Electronic resource]. - Access mode: http://www.ihte.uran.ru/?page_id=1419, free - (28.05.20)]. A film consisting of a mixture of graphite and aluminum oxide crystals was obtained on the substrate. Quantum dots (Fig. 1) consisting of carbon were obtained on the surface of the film. Analysis of FIG. 1 shows that the contact area of the quantum dot with the substrate is small, which indicates low adhesion of the quantum dot and the possibility of its separation from the substrate with etchants.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить углеродные квантовые точки с низкой адгезией на практически любой подложке. Допустимые высокие скорости распыления повышают производительность процесса.Thus, the proposed invention makes it possible to obtain carbon quantum dots with low adhesion on almost any substrate. Allowable high spray rates increase process productivity.

Claims (2)

1. Способ получения квантовых точек, включающий магнетронное распыление мишени на подложку при постоянном токе в реакционной вакуумной камере, отличающийся тем, что на термостойкую подложку, выдерживающую температуру до 500°С, распылением мишени, состоящей из углерода и алюминия при отношении их площадей, занимаемых в мишени, равном 8:1, наносят пленку толщиной от 1 до 7 мкм, после чего выдерживают подложку с пленкой в реакционной вакуумной камере не менее 5 мин, с образованием на поверхности пленки квантовых точек диаметром от 10 до 150 нм с внутренними полостями и стенками из графена с примесями оксида алюминия, при этом в реакционной вакуумной камере во время и после нанесения пленки на подложку поддерживают постоянное суммарное парциальное давление смеси газов 0,4 Па, состоящей из 5% кислорода и 95% аргона.1. A method for producing quantum dots, including magnetron sputtering of a target onto a substrate at a constant current in a reaction vacuum chamber, characterized in that a target consisting of carbon and aluminum is sputtered onto a heat-resistant substrate that can withstand temperatures up to 500 ° C. in a target equal to 8: 1, a film with a thickness of 1 to 7 μm is applied, after which the substrate with the film is kept in a reaction vacuum chamber for at least 5 min, with the formation on the film surface of quantum dots with a diameter of 10 to 150 nm with internal cavities and walls made of graphene with impurities of aluminum oxide, while in the reaction vacuum chamber during and after the deposition of the film on the substrate, a constant total partial pressure of a gas mixture of 0.4 Pa, consisting of 5% oxygen and 95% argon, is maintained. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнетронное распыление мишени осуществляют при следующих параметрах: температура подложки 20°С, мощность магнетрона, выделяемая на мишени, от 3 до 5 Вт/см2, расстояние между распыляемой мишенью и подложкой 4 см.2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetron sputtering of the target is carried out with the following parameters: substrate temperature 20 ° C, magnetron power released on the target from 3 to 5 W / cm 2 , distance between the sputtered target and the substrate 4 cm ...
RU2020138803A 2020-11-26 2020-11-26 Method for creating quantum dots for element base of radio engineering RU2753399C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138803A RU2753399C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for creating quantum dots for element base of radio engineering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138803A RU2753399C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for creating quantum dots for element base of radio engineering

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753399C1 true RU2753399C1 (en) 2021-08-16

Family

ID=77349045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138803A RU2753399C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for creating quantum dots for element base of radio engineering

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753399C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114752887A (en) * 2022-05-20 2022-07-15 云南大学 Method for preparing MnGe ferromagnetic quantum dot material by utilizing magnetron co-sputtering technology

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103663437A (en) * 2014-01-10 2014-03-26 青岛华高能源科技有限公司 Graphene quantum dot prepared by virtue of magnetron sputtering technology
RU2539757C1 (en) * 2013-07-04 2015-01-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Method of forming nanodots on crystal surface

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2539757C1 (en) * 2013-07-04 2015-01-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Method of forming nanodots on crystal surface
CN103663437A (en) * 2014-01-10 2014-03-26 青岛华高能源科技有限公司 Graphene quantum dot prepared by virtue of magnetron sputtering technology

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUIHUI ZHU et al., Graphene quantum dots directly generated from graphite via magnetron sputtering and the application in thin-film transistors, "Carbon", 2015, Vol.88, рр. 225-232. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114752887A (en) * 2022-05-20 2022-07-15 云南大学 Method for preparing MnGe ferromagnetic quantum dot material by utilizing magnetron co-sputtering technology
CN114752887B (en) * 2022-05-20 2023-10-20 云南大学 Method for preparing MnGe ferromagnetic quantum dot material by utilizing magnetron co-sputtering technology

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8398876B2 (en) Method for chemical modification of a graphene edge, graphene with a chemically modified edge and devices including the graphene
KR101190136B1 (en) A method for forming a carbon nanotube and a plasma cvd apparatus for carrying out the method
US7147831B2 (en) Carbon nanotube-based device and method for making the same
US7192802B2 (en) ALD ZnO seed layer for deposition of ZnO nanostructures on a silicon substrate
WO2009119641A1 (en) Process for producing monoatomic film
US20060035084A1 (en) Carbon nanotube-based device and method for making the same
JP4644347B2 (en) Method for forming graphite nanofiber thin film by thermal CVD
US7591897B2 (en) Method for the rapid synthesis of large quantities of metal oxide nanowires at low temperatures
JP2005005266A (en) Manufacturing method of field emission array including nano-structure body
JP6195266B2 (en) Manufacturing method of electronic device
US7820245B2 (en) Method of synthesizing single-wall carbon nanotubes
JP2001048512A (en) Preparation of perpendicularly oriented carbon nanotube
Hiralal et al. Growth and process conditions of aligned and patternable films of iron (III) oxide nanowires by thermal oxidation of iron
RU2753399C1 (en) Method for creating quantum dots for element base of radio engineering
JP2010037128A (en) Method for producing graphite film
Wang et al. Periodicity and alignment of large-scale carbon nanotubes arrays
JP2007051041A (en) Method for production of carbon nanotube, carbon nanotube produced thereby, and catalyst for carbon nanotube production
KR20090093081A (en) Manufacturing method of aligned nanowire and element application
JP6658121B2 (en) Graphene nanoribbon, method for manufacturing the same, and device
Yakubu et al. Graphene synthesis by chemical vapour deposition (CVD): A review on growth mechanism and techniques
Liu et al. Effects of interfacial layers on thermal chemical vapour deposition of carbon nanotubes using iron catalyst
JP2005059135A (en) Device using carbon nano-tube, and its manufacturing method
KR100335383B1 (en) Method of fabricating carbon nanotube
JP4881504B2 (en) Selective formation method of graphite nanofiber thin film by thermal CVD method
JP2008308381A (en) Manufacturing method of zinc oxide nanostructure and its junction method