Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena

When nanometer-scale holes (diameters of 50 to a few hundred nm) are imaged in a scanning electron microscope (SEM) at pressures in the 10−5 to 10−6 Torr range, hydrocarbon deposits build up and result in the closing of holes within minutes of imaging. Additionally, electron or ion beam assisted deposition of material from a gas source allows the closing of holes with films of platinum or tetraethylorthosilicate oxide. In an instrument equipped both with a focused ion beam, and a SEM, holes can be formed and then covered with a thin film to form nanopores with controlled openings, ranging down to only a few nanometers, well below resolution limits of primary beams.

A new more complete theory for energy exchange processes in electron emission is formulated. It is found that the tunneling contribution to the availability of vacant states is necessary to explain the replacement process occurring in the emitter region. The introduction of the tunneling states now makes it possible to obtain both the average energies of the emitted and replacement electrons using the same formalism. At T=0 K, the average energy of replacement electrons, 〈εr〉, is the same as the average energy of the emitted electrons, 〈εe〉. As T increases, 〈εr〉 increases rapidly until it reaches a maximum and then decreases slowly, while 〈εe〉 increases monotonically. When T equals the inversion temperature Ti, 〈εe〉=〈εr〉 and the energy exchange Δε=0. We have also calculated both Δε and Ti as a function of field F. For high temperature and fields, the value of Ti differs considerably from that obtained without the tunneling state contribution and Ti exhibits nonlinear behavior as a function of field. Tunneling state contributions are essential for explaining the steady state condition in the conduction process, especially at very low temperatures. These results are crucial for resolving the controversial problem of the replacement process in electron emission. Contrary to the assertion of Nottingham [Phys. Rev. 59, 907 (1941)] that the replacement energy is the Fermi energy, the current results indicate that the average value can be 10–102 meV less than the Fermi energy in agreement with Fleming and Henderson [Phys. Rev. 58, 887 (1940)]. Nonequilibrium effects evaluated within the relaxation time approximation are significant only for large fields.

Các thuộc tính của hạt lượng tử InAs được đặt trong giếng lượng tử InGaAs căng được nghiên cứu. Cấu trúc này được lớn lên bằng phương pháp phân tử beam xạ nguồn rắn trên nền GaAs và được đặc trưng bằng quang phát quang và kính hiển vi lực nguyên tử. Bước sóng phát ra và chất lượng quang học của các hạt lượng tử thay đổi theo nhiệt độ lớn lên và cũng phụ thuộc vào vị trí của các hạt trong giếng. Một sự phụ thuộc mạnh của các thuộc tính hạt vào điều kiện bao bọc được thiết lập. Việc nung hậu kỳ tương tự như quá trình lớn lên màng laser điển hình dẫn đến sự dịch bước sóng phát quang (PL) sang phía xanh lớn và giảm cường độ PL hơn hai bậc độ lớn. Các cấu trúc hạt trong giếng này được chỉ ra có các thuộc tính quang học vượt trội hơn so với các hạt InAs thông thường trong ma trận GaAs, và bước sóng phát ra của chúng có thể được điều chỉnh vượt qua bước sóng quan trọng về mặt công nghệ là 1.3 μm.

Vi điện tử chân không (VME) liên quan đến thiết kế và chế tạo các thiết bị và linh kiện chân không được cấu tạo với kích thước và độ chính xác tương tự như các thiết bị vi điện tử bán dẫn. Công nghệ này rất phù hợp cho việc sử dụng trong các thiết bị điện tử có ý nghĩa thương mại, đặc biệt là màn hình phẳng. Ngành công nghiệp màn hình phẳng dự kiến sẽ đạt doanh thu hàng năm tính bằng hàng chục tỷ đô la vào đầu thế kỷ này. Khác với các ống điện tử thông thường sử dụng catốt dựa trên phát xạ nhiệt điện, các thiết bị vi điện tử chân không chủ yếu sử dụng catốt lạnh dựa trên phát xạ điện trường. Việc giới thiệu catốt phát xạ điện trường có thể mang lại hiệu suất thiết bị độc đáo; tuy nhiên, đạt được mức độ tin cậy cần thiết cho các ứng dụng thương mại đòi hỏi phải giải quyết một loạt các vấn đề khó khăn liên quan đến vật lý bề mặt và hóa học. Trong bài đánh giá này, chúng tôi phác thảo những vấn đề liên quan đến khoa học bề mặt quan trọng trong VME. Những vấn đề này bao gồm một lĩnh vực rộng lớn của khoa học bề mặt từ các hiện tượng hấp phụ/phóng thích, khuếch tán bề mặt, thụ động hóa bề mặt, và việc lắng đọng lớp phủ đến sự bắn phá catốt, giới hạn mật độ dòng điện điện trường, tiếng ồn phát xạ, phosphor điện áp thấp, sự phát triển màng mỏng, và sự phá hủy điện áp. Vì lĩnh vực VME còn tương đối mới, nhiều khía cạnh bề mặt này chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng và còn nhiều khía cạnh khác cần được xác định.

Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật in dấu đơn giản cho phép tạo hình trên một bề mặt không phẳng mà không cần phải làm phẳng. Trong quá trình này, một lớp phim polymer được phủ bằng cách quay (spin coating) lên khuôn và sau đó được chuyển giao đến một bề mặt đã được định hình thông qua phương pháp in dấu. Bằng cách lựa chọn các loại polymer với các tính chất cơ học khác nhau, chúng tôi có thể thu được các cấu trúc treo lơ lửng trên các khoảng trống lớn hoặc các mẫu hỗ trợ trên các đặc điểm nhô cao của bề mặt với độ đồng nhất cao. Chúng tôi phát hiện ra rằng việc in dấu ở nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ chuyển tiếp kính (Tg) của polymer sẽ khiến lớp phim mỏng giữa các đặc điểm tách khỏi khuôn, điều này có thể đơn giản hóa quy trình chuyển giao mẫu sau đó. Các cấu trúc polymer ba chiều nhiều lớp cũng đã được chế tạo thành công bằng cách sử dụng phương pháp in dấu mới này. Độ thu hồi và độ ổn định kích thước trong cấu trúc nhiều lớp có thể được cải thiện khi sử dụng các loại polymer có Tg ngày càng thấp hơn cho các lớp khác nhau. So với các kỹ thuật hiện có để tạo hình trên các bề mặt không phẳng, phương pháp hiện tại có một số ưu điểm, bao gồm tính đơn giản, linh hoạt, độ phân giải cao và độ biến dạng mẫu thấp.

Khả năng phát hiện một lượng nhỏ các chất liệu, đặc biệt là vi khuẩn gây bệnh, rất quan trọng trong chẩn đoán y tế và theo dõi an toàn thực phẩm. Các hệ thống cơ học vi và nano được thiết kế có thể đóng vai trò như những máy phát hiện sinh học đa chức năng, nhạy cảm cao và đặc hiệu miễn dịch. Chúng tôi trình bày một cảm biến khối lượng dựa trên tần số cộng hưởng, được cấu thành từ các thanh cantilever silicon nitride chịu ứng suất thấp để phát hiện các sự kiện liên kết giữa tế bào Escherichia coli (E. coli) và kháng thể với độ nhạy phát hiện đạt đến mức một tế bào đơn lẻ. Các sự kiện liên kết liên quan đến tương tác giữa các kháng thể chống E. coli O157:H7 đã được cố định trên một thanh cantilever và kháng nguyên O157 có mặt trên bề mặt của E. coli O157:H7 gây bệnh. Sự tải trọng khối lượng bổ sung từ việc liên kết cụ thể của các tế bào E. coli đã được phát hiện bằng cách đo sự dịch chuyển tần số cộng hưởng của bộ dao động vi cơ học. Trong không khí, nơi xảy ra sự giảm chấn đáng kể, độ nhạy khối lượng của thiết bị cho thanh dài 15 μm và 25 μm lần lượt là 1.1 Hz/fg và 7.1 Hz/fg. Trong cả hai trường hợp, sử dụng nhiễu nhiệt và môi trường xung quanh như một cơ chế điều khiển, cảm biến rất hiệu quả trong việc phát hiện các cấu trúc đơn lớp kháng thể chống E. coli đã được cố định, cũng như các tế bào E. coli đơn lẻ. Kết quả của chúng tôi gợi ý rằng việc điều chỉnh kích thước của bộ dao động là một phương pháp khả thi để tăng cường độ nhạy của các cảm biến khối lượng cộng hưởng.

Bong khí có kích thước nanomet đã được tạo ra trên bề mặt rắn phẳng ở mức nguyên tử và được chụp ảnh bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ở chế độ gõ trong nước. Trong các hình ảnh AFM, bong khí xuất hiện như những hình cầu sáng. Một số bong khí giữ sự ổn định trong nhiều giờ trong quá trình thí nghiệm. Các bong khí bị nhiễu loạn dưới tải trọng cao trong quá trình chụp ảnh AFM. Một cơ chế liên quan được thảo luận.

Chúng tôi cho thấy rằng phương pháp porosimetry ellipsometric có thể được sử dụng để đo lường phân bố kích thước lỗ trong các màng xốp mỏng được chế tạo trên bất kỳ nền tảng rắn mịn nào. Trong phương pháp này, kỹ thuật ellipsometry tại chỗ được sử dụng để xác định lượng chất hấp phụ, đã được hấp thụ/ngưng tụ trong màng. Sự thay đổi ở chỉ số khúc xạ và độ dày của màng được sử dụng để tính toán số lượng chất hấp phụ có mặt trong màng. Kỹ thuật porosimetry ở nhiệt độ phòng dựa trên sự hấp phụ hơi của dung môi hữu cơ đã được phát triển. Trong bài báo này, một phương pháp tính toán phân bố kích thước lỗ và kết quả đo đạt trên các màng xerogel xốp trung và xốp vi được thảo luận. Việc kiểm tra tính hợp lệ của quy tắc Gurvitsch cho các chất hấp phụ hữu cơ khác nhau (toluene, heptane và carbon tetrachloride) được thực hiện để đánh giá độ tin cậy của các phép đo phân bố kích thước lỗ bằng phương pháp porosimetry ellipsometric.

Trong bài viết này, chúng tôi trình bày một cái nhìn tổng quan về những kết quả gần đây trong việc phát triển các quy trình chế tạo cải tiến cho các thiết bị ZnO với các ứng dụng tiềm năng trong phát quang tia UV, thiết bị chức năng spin, cảm biến khí, điện tử trong suốt, và các thiết bị sóng âm bề mặt. Ngoài ra, còn có sự quan tâm đến việc tích hợp ZnO với các bán dẫn có khoảng băng rộng khác, chẳng hạn như hệ AlInGaN. Chúng tôi tóm tắt những tiến bộ gần đây trong việc kiểm soát doping kiểu n và kiểu p, các phương pháp xử lý vật liệu, chẳng hạn như cấy ion để doping hoặc cách ly, hình thành tiếp xúc Ohmic và Schottky, ăn mòn bằng plasma, vai trò của hydro trong độ dẫn kiểu n nền của nhiều màng ZnO, và cuối cùng, thành tựu gần đây về từ tính ferromagnetic ở nhiệt độ phòng trong ZnO được pha tạp kim loại chuyển tiếp (Mn hoặc Co). Điều này có thể dẫn đến một loại thiết bị spintronic khác, trong đó spin của các hạt tải điện được khai thác thay vì điện tích như trong các cấu trúc truyền thống hơn.