パークシステムズでXEシリーズ原子間力顕微鏡（AFM）を用いて酸化亜鉛ナノロッドのサンプルの特性評価

トピックがカバー

約パークシステムズ
一般的な考慮事項
XE -シリーズのシステム概要
ZnOナノロッドのサンプルの一般的な調査
結論

約パークシステムズ

パークシステムズはである原子間力顕微鏡（AFM）すべての研究と工業ナノスケールのアプリケーションの要件に対応する製品を提供し、技術のリーダー。液体と空気の環境で真の非接触イメージングを可能にするユニークなスキャナの設計で、すべてのシステムは、革新的で強力なオプションの長いリストと完全に互換性があります。すべてのシステムは、念頭に置いて使いやすさ、精度と耐久性で設計され、すべての現在および将来のニーズをmeetiongための究極のリソースを顧客に提供しています。

の中で最も長い歴史を誇るAFMの業界を、 パークシステムズの製品、ソフトウェア、サービスおよび専門知識の包括的なポートフォリオは、お客様へのコミットメントによって照合されます。

一般的な考慮事項

酸化亜鉛（ZnO） - ワイドバンドギャップ（3.4 eV）は安定したウルツ鉱型構造（= 0.325 nmの、C = 0.521 nm）のII - VI族化合物半導体は - 電子、光、およびmagnetoelectronicのデバイス応用のための大きな可能性を提供しています。日付に、それはそのユニークな特性と透明エレクトロニクス、紫外発光素子、圧電素子、化学センサーとスピンエレクトロニクスにおける多様なアプリケーションに対応した集中的な研究努力を集めている。その顕著な物理的特性とデバイスの小型化の動機に基づいて、大規模な取り組みは、ZnOのナノ材料の合成、特性評価、およびデバイスのアプリケーションに焦点が当てられている。このように、酸化亜鉛ナノ構造の品揃えは、このようなナノワイヤー、ナノチューブ、ナノリング、およびナノテトラポッドが正常に化学蒸着法、熱蒸着、電着を含む様々な方法で栽培されてきたように、等これらの構造は、電気的にさらされている輸送、紫外線放射、ガスの検知、およびferromangne​​ticドーピングの研究、そしてかなりの進歩が達成されています。

図1。六方ZnOナノロッドを成長。

酸化亜鉛ナノ構造のアプリケーションの見通しは、主にそれらの位置、配置及び充填密度を制御する能力に依存しています。垂直配向ナノワイヤ/ナノロッドは、このように大きな注目を集めている、電子フィールドエミッタ、縦型トランジスタ、および発光ダイオード（LED）のための有望なアプリケーションを持っている。酸化亜鉛ナノ構造の垂直方向の配置は電界によって支援することができますが、ほとんどの場合に、アライメントは、ZnOと利用基板との格子整合が実現されている。エピタキシャル基板のいくつかのタイプはサファイア、GaN系、ZnO膜コーティングされた基材、炭化ケイ素、およびSiを含む、利用されている。サファイアが広くZnOナノワイヤの垂直成長のためのエピタキシー基板として使用されているが、それは類似の結晶構造と酸化亜鉛の格子定数を持つためGaNはさらに良い候補かもしれないことがわかる。のGaNエピ層上に成長させたナノワイヤーは、サファイア上に生成されるものよりも優れて垂直方向の配置を示した。代わりに、サファイアの基板材料（および/またはZnO系）としてGaNを採用するのさらなる利点は、GaNがはるかに良い電気特性を持っており、それがp型材料を達成するためのドーパントをドープすることがはるかに容易であるという事実にかかっている。

バルク材料に使用される伝統的な測定方法が適用されないので、機械的なpiezoelectrical、光学的、および個々のnanostructuesのmagnetical特性の直接測定は、むしろ挑戦しています。通常は、透過型電子顕微鏡（TEM）および走査電子顕微鏡（SEM）は、物理的な寸法およびナノロッド/ナノワイヤーの向きを観察し、測定するために用いられてきた。しかしながら、これら従来の方法には大きな制約を示す。これらの中で空間分解能、サンプルの調製技術、データなどを収集するために費やされる時間の量です。さらに、大きさと向きに関する情報に加えて他の物理的性質の特性は、TEMやSEMの手法の両方で検討することはできません。一方、 原子間力顕微鏡（AFM）がないだけの機械的特性（サイズ、向き、elastical特性、等）だけでなく、酸化亜鉛ナノ構造の電気的およびmagnetical特性を調査するために、シンプルで効率的、かつ非破壊の代替を提供しています。

従来のAFMのツールは、XYZピエゾチューブスキャナーに依存する走査機構の中核に設計されています。このように、クロストークおよび非直線性は本質的にこ​​のデザインで建設された。によって開発されたXE -シリーズのスキャンシステム、 パークシステムズ XYとZスキャナーを分離され、次の世代として導入されたAFMの設計。その結果、真の非接触モードが有効になっていました。

XE -シリーズのシステム概要

XEのスキャンシステムは、競争力を与えるコア機能ですXE -シリーズのAFMs 。 パークシステムズの革新的なスキャナのデザインは、卓越したZ -サーボ性能、直交性、およびスキャンの精度を可能にする、XY -スキャナーからZ -スキャナーを分離する。

図2。 XEスキャニング技術に基づいて、XE -シリーズのAFMsは、優れた安定性と適用性を持つ様々なSPMモードを提供しています。

の垂直方向の動きを制御するZ -スキャン、 AFMの先端をと表面形態の情報を取得する基本であるが、完全にXとYの水平方向に試料を移動させるXY -スキャナーから切り離される。構造から、 XE -シリーズのAFMsは、基本的な観点から、バックグラウンドの湾曲を削除し、そして効果的に基づいて、従来の圧電チューブに固有なクロストークと非直線性の問題解消のAFMシステムを。

Z -スキャナは従来の圧電チューブスキャナーより高い共振周波数を持つように設計されています。適切に事前にロードしたときにこのような理由から、スタック圧電アクチュエータは、高プッシュプル力を持つZ -スキャナに使用されます。 XEスキャンシステムのZ -サーボの応答が非常に正確なので、プローブが正確にクラッシュしたり、表面に付着することなく、サンプルの急な曲率を追うことができます。

XEスキャンシステムでは、XYスキャナーは、X方向とY方向のサンプルをスキャンするために使用されているボディガイド曲げスキャナ、です。 XY -スキャナーのたわみヒンジ構造は、最小平面外の動きに非常に直交する2次元の動きを保証しています。 XEスキャンシステムの2次元たわみステージでは、従来のピエゾelectrictubeスキャナによる固有の80nmと比較して、50μmのスキャン範囲の面外運動のわずか1〜2 nmのを持っていますAFMs同じスキャン範囲で。

対称曲げスキャナの設計はまた、通常、圧電チューブタイプのスキャナで対応できるより、試料ステージにはるかに大きなサンプルを配置することが可能です。さらに、対称性は、スキャナがXY -スキャナーのダイナミクスは、試料ホルダー及び/またはロードしたサンプルが歪まないように、サンプルがロードされている場合でも、バランスを保つことができます。たわみのスキャナのみがXY方向に移動するので、それが標準で可能であるよりもはるかに高いレート（10 Hzの〜50 Hz）でスキャンすることができますAFM 。

XE -シリーズは、設定する傾向が得られる構造設計のイノベーション実現だけでなく、 AFMの性能を、それはまた、電子機器に最先端の改善をもたらします。 XEコントロールエレクトロニクスは、精密なソフトウェアと高速スキャナ、のコアユニット有効にするために設計されている大容量のデータ処理、力を与えるハードウェアコンポーネントを持つ高度なデジタル回路が組み込まれAFMを 、効率的で正確かつ高速な制御を提供することを、しさらには10 Hzのスキャン速度を超えて安定した画像の取得を促進する。

高速測定能力に加えて、XEのエレクトロニクスはの動きを制御AFMの強化された地形の詳細の非常にポイントにそれぞれ追加のプロパティをマップするために不可欠なクローズドループスキャンシステムによって正確にシステムを。にもかかわらず、 AFMのシステムは、システムは測定の正確な位置を表示していない限り、それは正確な位置にデータをマップするためにソフトウェアの修正（またはキャリブレーション）を必要とする、複数のモードでデータを取得することができる。ソフトウェアの再マッピングによる補正は、通常、撮像面積が比較的小さい場合にうまく機能しますが、クローズドループスキャンでは、歪みのない任意の撮像面上に適用されます。

ZnOナノロッドのサンプルの一般的な調査

図3（a）及び3（b）に示されている真の非接触AFMの ZnOナノロッドのサンプル× 5μmスケールは、GaNのような基板上に成長さ5μmにおける表面形状像。 GaN成長のために、サファイアは選択肢の基板だった。これらのZnOナノロッドの検体は60℃の温度に保持硝酸亜鉛とhexamethyltetramineの溶液中でのGaNテンプレートを配置することによって成長させた垂直方向と水平方向のナノロッドが観察されています。図3（b）は上部画像表示とラインプロファイルの解析結果の両方を示し、図3（a）は、スキャン領域の3次元（3D）ビューが表示されます。水平方向の場合のために、長さは最大径1.1μmの〜2.0μmの範囲にある間に図3（b）のデータに基づいて、垂直に配向試料の典型的な高さは、0.3 nmから0.6 nmの範囲にあり、 1.2μmの。

図3（a）

図3（b）

図3。は5μm× GaNテンプレート（）3Dビューおよびラインの分析情報を持つ（b）は上面図で成長したZnOナノロッドのサンプルの5μmスケールでの表面形態。画像は256 × 256ピクセルの解像度で0.15 Hzの高アスペクト比の先端のプローブを用いて取得された。

図3（a）及び3（b）に示すように、図4（a）及び図4（b）は同じ試料の電子顕微鏡（SEM）画像をスキャンしている。画像の倍率は、それぞれ図4、15,000 ×（）および図4（b）の30,000 ×、です。より良いイメージングのために、45度のサンプルの傾斜角が用いられた。と同様にAFMイメージングの場合、水平方向と垂直に配向ZnOナノロッドは0.50 nmの高さ（垂直方向）〜0.30 nmで大きさ、1〜2μmの長さ（水平方向）、最大径1μm（水平方向に観察される）。 SEM像は45度のサンプルの傾斜角で行われているという事実を考慮すると、SEMの評価に基づいて物理的なナノロッドの寸法は、直接で観測された正確なサイズに非常に近い試合ですAFM （調査及び図3（a）と図3に示すようにB）。

図4（a）

図4（b）

図4。 ZnOナノロッドのサンプルの走査型電子顕微鏡（SEM）像は、図3（ベル研究所、ルーセントテクノロジーの礼儀）に示す。画像の倍率は、図15,000 ×（）とそれぞれ図（b）、30,000 xです。 45度のサンプルチルトが用いられた。

結論

このようなロッド、ワイヤー、ベルト、およびチューブなど（1D）一次元半導体ナノ構造は、電子、光、およびライフサイエンスのアプリケーションのビルディングブロックとしてそれらを利用するために独自の特性と可能性があるため、近年大きな注目を集めている。 ZnOは、近紫外発光および圧電性、バイオセーフと生体適合性を示す、大きな励起子結合エネルギーとの直接バンドギャップ半導体である。集中的な研究は一次元のZnOナノ構造を作製する上で、そのサイズに関連する光学的、電気的、および磁気的性質とその形態を相関させるのが注目されている。 1Dナノ構造の中で、ZnOナノロッド/ナノワイヤーは、その高い容易に形成とデバイス応用の研究されている。 AFMは酸化亜鉛ナノ構造の正確な機械的性質の測定を可能にするだけでなく、直接、操作する非破壊、かつ容易に特性評価の方法を、提供していますだけでなく、高度な走査型プローブモードを利用することにより、物理的特性の調査を強化する手段を提供します。 XE -シリーズAFM製造とで分散楽器パークシステムズは 、両方の規格（すなわち、機械的な）と高度（すなわち、電気的、磁気）のオプションの面で最先端の機能を備えています。 XYとZスキャナや真の非接触スキャニングの達成のデカップリングの構成XE -シリーズツールの最新建築デザインは、全体でスキャンパラメータの範囲とアプリケーションの柔軟性でこれらの機器が可能になります。

ソース：パークシステムズ

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