Vibrerende nanorods måler tynde film til mikrokredsløb

(PhysOrg.com) -- Et nøgletrin i mange nanofabrikationsprocesser er at skabe tynde film, nogle gange kun et molekyle tykt, ved en metode kendt som atomlagsaflejring. Forskere ved Cornell og Tel Aviv University har udviklet et nyt værktøj til nanofabrikanter til at teste de fysiske egenskaber af sådanne film.

Ultratynde film er stadig vigtigere ved konstruktion af mikrokredsløb. Deres fysiske egenskaber bestemmer ofte deres elektroniske adfærd såvel som deres modstandsdygtighed over for slid.

Forskerne har vist, at små resonansudkragere -- siliciumstænger forankret i den ene ende, som et lille dykkerbræt -- kan bestemme tætheden af ​​en film og dens Youngs modul, et mål for modstand mod bøjning. Metoden giver flere fordele i forhold til andre metoder til at måle disse egenskaber af tynde film, sagde forskerne, og kan bruges af alle forskere med adgang til nanofabrikationskapaciteter, der kan sammenlignes med dem på Cornell Nanoscale Facility.

Arbejdet blev rapporteret i 15. august-udgaven af Journal of Applied Physics af Cornell research associate Rob Ilic, Slava Krylov, lektor ved Tel Aviv University og tidligere gæsteprofessor ved Cornell, og Harold Craighead, C.W. Lake Jr. professor i ingeniørvidenskab ved Cornell.

Cornell-forskere har tidligere brugt bittesmå vibrerende udkragere på blot et par nanometer (milliarddele af en meter) tykke til at opdage massen af ​​objekter så små som en virus. Ligesom en tyk guitarstreng vibrerer med en lavere tone end en tyndere, tilføjelse af masse til en vibrerende stang ændrer dens vibrationsfrekvens. Belægning af stangen med en tynd film tilføjer detekterbar masse, og fra filmens masse og tykkelse, massefylde kan bestemmes.

Filmen ændrer også cantileverens modstand mod bøjning. For at adskille denne egenskab, forskerne sammenlignede vibrationer i planet (side til side) og ude af planet (op og ned). Modstanden mod bøjning i forskellige retninger er mærkbart forskellig, når den vibrerende stang er bred og tynd. Når stangens tværsnit er firkantet, der er ingen forskel mellem op og ned og side-til-side bevægelse.

For at teste deres idé, forskerne fremstillede en række udkragninger på seks til 10 mikrometer (milliontedele af en meter) lange, 45 nanometer tyk og med bredder varierende fra 45 nanometer til 1 mikron. I forskellige forsøg, de påførte film af aluminium, aluminiumnitrid og hafnium fra 21,2 til 21,5 nanometer tykt til overfladen af ​​udkragerne.

En laserstråle fokuseret på bunden af ​​en cantilever leverer energi til at få den til at vibrere, og en anden laser rettet mod enden måler vibrationen. Som en stemmegaffel, hver stang har en resonansfrekvens, ved hvilken den vibrerer, og det afhænger af enhedens dimensioner og fysiske egenskaber. Sammenligning af resonansfrekvensen og nogle af dens harmoniske før og efter en film blev påført gjorde det muligt for forskerne at beregne tætheden og Youngs modul af filmen.

Gennem mange eksperimenter, beregningerne stemte godt overens med teoretiske forudsigelser og karakteristika for film målt med andre metoder. Nogle aspekter af metoden til fremstilling af nanoantileverne kan påvirke resultaterne, fandt forskerne, men de sagde, at nøjagtigheden kunne forbedres.

Arbejdet blev støttet af Defence Advanced Projects Research Administration, National Science Foundation og staten New York.