Η δημιουργία μικροηλεκτρονικών νανοδομών και νανοδιατάξεων με τη χρήση οξομεταλλικών ενώσεων

Abstract

The use of tungsten polyoxometalates (with main representative in this work the phosphotunstic acid H3[PW12O40]) for the construction of molecular nanodevices is explored in this work. For this purpose, the electrical behavior of polyoxometalate-containing materials was studied as well as the possibility of using such materials in pattern-transfer procedures, such as the electron beam lithography. Metal-Insulator-Metal (MIM) juctions were studied during the electrical characterization of polyoxometalate-containing materials. The insulating part of such devices was a polymeric film containing the phosphotungstic anion [PW12O40]3-. Vertical structures, either with or without a SiO2 layer between the polyoxometalate layer and one of the metallic electrodes, were also studied. Generally, hopping was the main mechanism of conductivity, especially for insulating layers with high anion concentration. For low concentration films, this behavior converts in a space-chage-limited current (SCL). I-V characteristics are morphologically richer in the case of nanometric junctions. In this case, first, a direct tunneling region is observed, followed, for larger applied voltages, by a Fowler-Nordheim region and then by the hopping (or SCL) region. In spite of the fact that the materials used presents aging phenomena, it became clear that H3[PW12O40] possesses the needed conductivity in order to be used in nanometer-scale molecular devices. In addition, the lithographic study of polyoxometalate-containing materials showed the possibility of a reliable electron beam lithography procedure in the nanometer scale, both for a positive and a negative tone material. The experimental study was completed by the development of a Monte Carlo electron beam lithography simulation program. The accurate relations for the electron elastic scattering for both the high and low energy region are implemented in this program, so that it can be used in high and low voltage electron beam lithography.

Σε αυτή την εργασία εξετάζεται η δυνατότητα χρησιμοποίησης πολυοξομεταλλικών ενώσεων του βολφραμίου (με κύριο αντιπρόσωπο το 12-βολφραμοφωσφορικό οξύ - H3[PW12O40]) για την κατασκευή μοριακών νανοδιατάξεων. Για αυτό το σκοπό μελετήθηκε η ηλεκτρική συμπεριφορά συνθέσεων που περιέχουν το παραπάνω μόριο, καθώς και η δυνατότητα μεταφοράς σχήματος σε υμένια τέτοιων συνθέσεων με χρήση τυπικών μικροηλεκτρονικών μεθόδων, όπως είναι η λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός που διενεργήθηκε περιλαμβάνει το χαρακτηρισμό δομών μετάλλου-μονωτή-μετάλλου (ΜΙΜ), όπου τη θέση του μονωτή καταλαμβάνει πολυμερικό υμένιο που περιέχει το ανιόν [PW12O40]3-, αλλά και κατακόρυφων δομών στις οποίες δύναται να παρεμβάλλεται και στρώμα διοξειδίου του πυριτίου. Οι δομές ΜΙΜ παρουσίασαν, γενικά, αγωγιμότητα με κβαντικά άλματα (hopping conductivity) για μεγάλες περιεκτικότητες ανιόντος στο μονωτικό υμένιο. Η συμπεριφορά αυτή μετατρέπεται σε ρεύμα περιοριζόμενο από φορτίο χώρου, όσο η περιεκτικότητα γίνεται μικρότερη. Η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης αποκτά περισσότερα δομικά χαρακτηριστικά στην περίπτωση επαφών νανομετρικής απόστασης. Στην περίπτωση αυτή, διακρίνονται τρεις περιοχές, οι οποίες αντιστοιχούν (με αυτή τη σειρά και αυξανομένης της εφαρμοζόμενης τάσης) σε απευθείας φαινόμενο σήραγγας, σε φαινόμενο σήραγγας Fowler-Nordheim και σε με κβαντικά άλματα. Αν και τα υμένια που εξετάστηκαν παρουσιάζουν φαινόμενα γήρανσης, αποδείχθηκε ότι η συγκεκριμένη ένωση διαθέτει επαρκή αγωγιμότητα, ώστε να χρησιμοποιηθεί σε μοριακές διατάξεις. Αντίστοιχα, η λιθογραφική μελέτη συνθέσεων που περιείχαν το πολυοξομεταλλικές ενώσεις κατέδειξε τη δυνατότητα ικανοποιητικής λιθογραφίας στην νανομετρική κλίμακα, τόσο θετικού όσο και αρνητικού τόνου. Η πειραματική διερεύνηση της λιθογραφικής συμπεριφοράς συμπληρώνεται από την ανάπτυξη κώδικα Monte Carlo για την προσομοίωση της διαδικασίας της λιθογραφίας ηλεκτρονικής δέσμης. Ο κώδικας αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί με την ίδια ακρίβεια για όλες τις περιοχές ενεργειών δέσμης, αφού σε αυτόν υπολογίστηκαν οι ακριβείς εκφράσεις για την ελαστική σκέδαση σε χαμηλές ενέργειες.