Полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки, обладая исключительно высокой подвижностью носителей заряда и эффективностью транспорта тока, уже стали одним из ключевых кандидатных материалов для создания наноэлектронных устройств следующего поколения, биосенсоров и гибкой электроники. В практическом применении сканирующий электронный микроскоп служит не только важнейшим инструментом для наблюдения их морфологии, но и, благодаря технологии тока, индуцированного электронным пучком, — крайне значимым методом для характеристики внутренней структуры полупроводниковых устройств, оценки локальных дефектов и свойств металлических контактов. Эта технология позволяет точно локализовать свойства границ раздела, обеспечивая необходимую физическую базу для оптимизации характеристик полевых транзисторов.

Однако при характеристике одномерных устройств на основе углеродных нанотрубок существующие исследования механизмов формирования изображений остаются недостаточно разработанными и сталкиваются с серьёзными вызовами. Традиционная теория индуцированного тока в основном опирается на трёхмерную объёмную модель полупроводника и утверждает, что сигнал генерируется главным образом за счёт разделения электронно‑дырочных пар внутренним электрическим полем в области обеднения; однако это едва ли позволяет полностью объяснить сложный процесс формирования сигнала на наноуровне. В частности, конкретные закономерности влияния энергии падения электронного пучка и накопления заряда на подложке на контрастность изображения до сих пор не ясны, что приводит к отсутствию надёжной теоретической базы для количественного анализа ключевых узловых проблем, таких как контактное сопротивление между металлами и наноматериалами. Это, в свою очередь, ограничивает дальнейшую точную доработку технологий производства углеродных электронных устройств и их инженерное внедрение.

В ответ на указанные выше проблемы совместная исследовательская группа, в состав которой входят Сянтаньский университет, Чжэцзянский университет, Пекинский университет и другие учреждения, провела систематическое исследование с использованием нанозондовой установки SEM компании «ZEPTOOLS». Команда, проведя синхронный анализ сигналов вторичных электронов и индуцированных токов при различных энергиях падения электронов, выявила, что ключевой физический механизм обратного преобразования изображения в одномерных устройствах на основе углеродных нанотрубок определяется не традиционным внутренним потенциалом, а эмиссией вторичных электронов.

Заголовок: Обратное изменение контраста в изображении устройств на основе углеродных нанотрубок с использованием тока, индуцированного электронным пучком, обусловленное эмиссией вторичных электронов
Журнал: Нанотехнология
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1088/1361-6528/ae3766

Характеризация электрических свойств интерфейсов на наноуровне имеет ключевое значение для разработки высокопроизводительных электронных устройств на углеродной основе; однако механизм формирования изображений, обусловленный индуцированным электрическим током при воздействии электронного пучка, в одностенных углеродных нанотрубках долгое время оставался недостаточно ясно объяснённым. В настоящем исследовании, осуществляя синхронный анализ сигналов вторичных электронов и индуцированного тока в сканирующем электронном микроскопе, были сравнены характеристики изображения при двух значениях энергии падающих электронов — 1 кэВ и 10 кэВ. Результаты эксперимента убедительно демонстрируют существование тесной корреляции между интенсивностью индуцированного тока и эффективностью эмиссии вторичных электронов в устройствах на основе углеродных нанотрубок. Это открытие ставит под сомнение традиционное представление о том, что индуцированный ток определяется исключительно внутренним электрическим потенциалом, и предлагает совершенно новый физический подход к электрофизической характеристике низкоразмерных полупроводниковых материалов.

Исследовательская группа обнаружила, что углеродные нанотрубки при различных энергиях падения электронов демонстрируют совершенно разные контрасты изображения, и детально проанализировала физические причины этого явления. При низкой энергии — 1 кэВ — вследствие накопления положительного заряда на поверхности подложки из диоксида кремния углеродные нанотрубки и окружающая их область проявляют светлый контраст; направление тока при этом направлено от электрода к нанотрубке. Когда энергия падения возрастает до 10 кэВ, подложка переключается на накопление отрицательного заряда, что приводит к усилению эмиссии вторичных электронов; в этот момент область углеродных нанотрубок приобретает тёмный контраст, а направление тока меняется на противоположное. Эта зависимость контраста от энергии подтверждает, что полярность зарядки подложки является определяющим фактором, задающим направление индуцированного тока в одномерных устройствах.

В процессе создания этой высокоточной экспериментальной платформы для in situ‑характеризации ключевую техническую поддержку обеспечил трёхмерный наноманипулятор, поставляемый компанией Zeyou Technology. Устройство установлено в столик микроскопа и благодаря сверхточному управлению смещением на наноуровне позволяет зонду точно достигать и соединяться с источником углеродных нанотрубочных устройств. В ходе эксперимента нанозонд Zeyou Technology передаёт обнаруженные слабые индуцированные токовые сигналы во внешний усилитель для последующей обработки, что обеспечивает оперативное сопоставление индуцированных токовых сигналов с координатами сканирования и восстановление изображений. Такое стабильное и точное физическое соединение является необходимым условием получения высококачественных электрических изображений с высоким отношением сигнал/шум, гарантируя достоверность и надёжность данных о динамике контрастности в ходе исследований.

Помимо энергетических параметров, в исследовании также рассмотрено влияние накопленной электронной дозы и собственного сопротивления углеродных нанотрубок на модуляцию распределения сигнала. По мере увеличения числа сканирований накопление углеродного загрязнения на поверхности приводит к росту сопротивления углеродных нанотрубок, что, в свою очередь, вызывает постепенное ослабление индуцированного токового сигнала и даже приводит к исчезновению характерных признаков повышения контрастности на границе раздела. Одновременно интенсивность индуцированного тока по оси углеродной нанотрубки демонстрирует монотонно убывающую тенденцию, что отражает действие градиента сопротивления в процессе переноса заряда. Эти результаты не только углубляют понимание физических механизмов индуцированного тока, но и предоставляют неконтактный метод контроля, позволяющий оценивать качество контакта между металлами и наноматериалами, а также отбирать высокопроизводительные полевые транзисторы.

Нанозондовая платформа SEM компании Zeyou Technology обеспечивает точное позиционирование в трёхмерном пространстве и обладает такими преимуществами, как компактные габариты при большом ходе, высокая точность и удобство эксплуатации; одновременно она совместима с режимом высокого вакуума и является важным дополнительным устройством для проведения in situ‑исследований на сканирующем электронном микроскопе. В зависимости от конкретных экспериментальных требований электрические зонды могут быть заменены на оптоволоконные зонды, нано‑пинцеты, микроскопические шприцы и другие типы манипуляторов и измерительных головок. На нижнем рисунке представлена нанозондовая платформа SEM, использовавшаяся в рамках данного исследования.