Ce travail a été soutenu par un contrat de la DARPA (N66001-08-C-2040) et par une subvention du Fonds de technologies émergentes de l&#39;État du Texas. Les auteurs tiennent à remercier Jiyoung Kim, Greg Mordi, Angela Azcatl, et Tom Scharf pour leurs contributions liées au dépôt de couche atomique sélective, ainsi que Wallace Martin et Gordon Pollock pour l&#39;ex-situ de traitement des échantillons.

1. Ex-Situ Préparation de l&#39;échantillon <ol><li> Préparer puces <ol><li> Concevoir masque de gravure approprié de mettre identifier des marqueurs dans le Si (100) tranche. En utilisant la lithographie optique standard et RIE, graver une grille de lignes comme points repères dans la tranche à partir de laquelle des échantillons de la STM seront prises. Les lignes doivent être de 10 m de large, 1 pm de profondeur, et à hauteur de 500 um. Après l&#39;attaque, la bande restante résine photosensible de l&#39;échantillon. Remarque: Les points repères doivent être identifiables in-situ pour l&#39;emplacement de la pointe sur l&#39;échantillon ainsi que dans l&#39;AFM et SEM pendant la métrologie. </li><li> Protéger la surface de la plaquette en appliquant la punaise norme ruban de découpage bleu, côté collant vers le bas. </li><li> Dice plaquettes en copeaux à l&#39;aide d&#39;un diamant inclinés découpage en céramique a vu dans des tailles appropriées pour l&#39;outil UHV STM-spécifique utilisé pour effectuer HDL. Ici, les échantillons étaient 8,1 mm x 8,1 mm carrés. </li></ol></li><li> Après découpage, préparer puce pour l&#39;insertion dans l&#39;outil de structuration UHV-STM en douceurretirant le ruban de découpage, en prenant soin de ne pas toucher la puce avec les outils contenant du nickel qui va induire une reconstruction de surface défavorable après UHV préparation à l&#39;article 2 ci-dessous. <ol><li> Clean puce par rinçage de la face avant pendant 10 s chaque flux avec de l&#39;acétone, l&#39;alcool isopropylique, le méthanol et l&#39;eau désionisée, respectivement, tout en saisissant les côtés de l&#39;échantillon avec le polytétrafluoroéthylène (PTFE) des pincettes. Enfin, sec avec ultrapure N 2 ou Ar, serrant toujours avec des pincettes téflon. </li><li> Mont puce de l&#39;échantillon dans le porte-échantillon STM en utilisant des méthodes appropriées pour l&#39;outil UHV STM-spécifique à utiliser pour les HDL. <ol><li> Si le montage dans un support d&#39;échantillon contenant du nickel, couper des bandes de tantale feuille de barrière (env. 4 mm par la taille de l&#39;échantillon) à l&#39;aide de ciseaux de titane. Bandes de feuille de traitement par ultrasons pendant 5 min dans chacune ultrapure acétone, l&#39;alcool isopropylique, le méthanol et l&#39;eau DI, respectivement. Sécher avec ultrapure gaz N 2 en recouvrant partiellement un bécher avec du papier d&#39;aluminium et d&#39;injecterment une buse N 2 dans l&#39;ouverture. Débit de gaz jusqu&#39;à ce que tout le liquide soit évaporé. Utilisation de nickel pincettes libres, forme feuille autour de l&#39;échantillon se termine alors pince dans le support de l&#39;échantillon pour isoler côtés avant et arrière de l&#39;échantillon du porte échantillon. </li></ol></li><li> Après le montage, le plasma échantillon propre et porte-échantillon dans un plasma d&#39;oxygène pour éliminer la contamination de carbone. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Préparation de l&#39;échantillon <ol><li> Introduire l&#39;échantillon dans le système via UHV-lock charge ou un autre procédé préféré UHV-ondes de sorte que le traitement UHT et HDL peuvent généralement rester inférieur à 1,3 x 10 -9 mbar (à l&#39;exception de l&#39;étape 2.5.1.1 ci-dessous). </li><li> Degas O / N à 650 ° C, suivi de la température avec un pyromètre. Assurez-vous que la pression de chambre est à moins de 25% du fond. Dans le cas décrit ici, les pressions de fond typiques sont d&#39;environ 4,5 x 10 -10 mbar. </li><li> Degas craquage filament de tungstène hydrogène à 1500 ° C pendant 5 min.Activer pompes à sublimation de titane si possible. </li><li> Effectuer échantillon du cycle &quot;Flash&quot;. <ol><li> Flash échantillon par chauffage à 1250 ° C pendant 20 secondes, suivi de T avec l&#39;aide d&#39;un pyromètre et / sec gradient de chauffage de 10 ° C. Ne pas dépasser une pression maximale de 7 x 10 -9 mbar. Laisser refroidir en supprimant le courant de chauffage en moins de 5 sec. </li><li> Reste échantillon à 350 ° C pendant 5 min. pour permettre à la pression pour récupérer la ligne de base. Répéter 3x. </li></ol></li><li> Effectuer échantillon passivation. <ol><li> Régler la température de l&#39;échantillon à 350 ° C en utilisant un pyromètre pour surveiller la température. Présentez 1,3 x 10 -6 mbar ultra-pur H 2 dans la chambre de préparation à l&#39;aide de la vanne de fuite. <ol><li> Mettez un piège froid sur la ligne H 2 très près d&#39;une soupape de fuite dans le système afin de purifier davantage H 2. </li><li> Si possible, le système de pompe à grande vitesse de la pompe turbo au lieu d&#39;une pompe à ions. Il en est ainsi de la pompe d&#39;ions ne contamine pas l&#39;échantillon d&#39;être exposed aux contaminants fait pression et d&#39;éjection élevées. Les pompes sont remis à l&#39;état normal après que la plupart de l&#39;hydrogène a été retiré et l&#39;échantillon est encore chaud (350 ° C). </li></ol></li><li> Allumez le tungstène fissuration par l&#39;hydrogène filament à une température de 1400 ° C pendant 12 min, puis éteignez filament et H 2 flux de gaz. Échantillon refroidir à température ambiante. </li></ol></li></ol> 3. microscopie à effet tunnel et la lithographie <ol><li> Transférer l&#39;échantillon dans STM, et amener l&#39;échantillon et la pointe STM en gamme de tunnel. L&#39;utilisation d&#39;un appareil photo avec pouvoir de résolution de mieux qu&#39;une taille 20 pm au comptant, prenez image optique à haute résolution de la pointe-échantillon jonction. Redresser et redimensionner l&#39;image optique afin qu&#39;il représente une reproduction non faussée des points repères. </li><li> Retirez tout l&#39;éclairage afin de réduire les instabilités thermiques du système. Déterminer la qualité de surface. <ol><li> En utilisant des techniques classiques de la STM avec biais de -2.25 V et 200 pA échantillon, identifier le engourdieer de défauts sur la surface. </li><li> Si les défauts de surface sont en dessous des niveaux acceptables, passer à l&#39;étape suivante. Les niveaux maximaux de défauts acceptables sont aussi suivis: liaisons pendantes de 1%; Si les postes vacants de 3%; 1% de contaminants. </li></ol></li><li> Design Patterns de HDL à être produits, y compris les deux modèles expérimentaux et grands (1 um x 1 um) modèles d&#39;identification de SERP. Les motifs de SERP devraient être établis avec un axe de vecteur de longues perpendiculaires à attendre axe de balayage AFM rapide, avec un pitch de 15-20 nm. Fracture tendance générale dans des formes fondamentales de définir le chemin suivi par la pointe lors de l&#39;application des conditions de HDL 24. </li><li> Utilisation sorties de vecteur de l&#39;étape précédente, effectuer HDL en utilisant le mode FE lithographie pour les grandes surfaces avec polarisation de l&#39;échantillon de 9.7 V, le courant de 1 nA, et 0,2 mC / cm et AP lithographie de mode pour les petites surfaces ou les domaines nécessitant des bords de précision atomiques . 24 <ol><li> Déterminer optimales AP conditions Mode de lithographie par performing HDL avec une variété de conditions avec biais d&#39;échantillon variant de 3,5 à 4,5 V, le courant allant de 2 à 4 nA, et la ligne des doses allant de 2 à 4 mC / cm. Choisissez conditions qui produisent la ligne complètement dépassivée étroit. </li></ol></li><li> Effectuer STM métrologie sur les zones de HDL motifs souhaités par imagerie à -2.25 polarisation V de l&#39;échantillon et 0,2 nA courant tunnel. <ol><li> [Facultatif] Effectuer correction d&#39;erreur. Après STM métrologie, comparer motif de dépassivation dans les images STM avec le motif désiré de l&#39;étape 3.5. Si toutes les zones montrent insuffisante formation de liaisons pendantes, répéter le cycle de lithographie dans ces domaines. </li></ol></li><li> Après avoir terminé STM HDL, dégager la pointe de l&#39;échantillon, et déplacer l&#39;échantillon à charger serrure. </li><li> Vent et retirer l&#39;échantillon. Pendant évent avec ultrapure N 2, protéger échantillon en contact avec, substrat plat inerte tel que le saphir propre. 29 Après protection de surface, fermer les vannes à des pompes introduisent ensuite évacuer le gaz comme quicKly que possible. Retirer l&#39;échantillon du système. </li></ol> 4. Transport de l&#39;échantillon <ol><li> Retirer l&#39;échantillon de la serrure de la charge. Relâchez l&#39;échantillon du porte échantillon, y compris la suppression des pièces feuille de barrière si possible. Utilisation de PTFE (Ti) ou une pince à épiler, déplacer échantillon à transporter, en gardant la face avant de l&#39;échantillon protégée, en essayant de maintenir l&#39;exposition de l&#39;atmosphère à moins de 10 min. </li><li> Installer le couvercle sur l&#39;échantillon et vaguement assembler un transporteur de l&#39;échantillon sous pression. Rincer avec de l&#39;ultra-pure Ar pendant 1 min. Ne pas évacuer le système à tout moment, ou des dommages de surface peut se produire. 29 Enfin, l&#39;échantillon d&#39;étanchéité transporteur avec une petite pression positive (~ 50-100 mbar) de Ar sorte que l&#39;échantillon reste stable jusqu&#39;à à un mois. </li></ol> 5. Atomic Layer Deposition <ol><li> Assurez-ALD est à la température de dépôt appropriée (100 ° C). Augmenter lentement la pression d&#39;argon dans la chambre à la pression atmosphérique jusqu&#39;à ce que ALD ont été accomplis. </li><li> Chambre de ALD Ouvrir. </li><li> Ouvrir transporteur de l&#39;échantillon et rapidement transférer à la chambre de ALD en utilisant une paire de pinces de PTFE préhension de l&#39;échantillon sur le bord, puis fermez la chambre de ALD et purger l&#39;aide d&#39;un flux d&#39;argon à une pression de &lt;2 × 10 -1 mbar pendant 1 h pour dégazer les échantillon. Définir un processus pour effectuer 80 cycles répétés de ALD augmenter de 2,8 nm d&#39;oxyde de titane amorphe. <ol><li> Utilisation d&#39;un système non modifié ALD commerciale à une température de 100 à 150 ° C de l&#39;échantillon, avec le tétrachlorure de titane (TiCl 4) et d&#39;eau (H 2 O) en tant que précurseurs effectuer le dépôt avec des réactifs à des pressions de 0,3 mbar et 0,8 mbar, avec des durées d&#39;impulsion de 0,1 s et 0,05 s, respectivement. 27 </li><li> À la suite de chaque impulsion de gaz, purger le réacteur avec de l&#39;Ar pendant 60 secondes à 0,2 mbar à assurer un dépôt minimal de fond dû à physisorbées réactifs. Pour les masques dans ce travail, 80 cycles d&#39;ALD sont utilisés pour croître d&#39;environ 2,8 nm d&#39;oxyde de titane amorphe à 100 ° C. </li></ol&gt; </li><li> Lentement vent chambre ALD avec Ar gaz et ouverte. Répétez les étapes 4.1 et 4.2 pour le transport de l&#39;échantillon. </li></ol> 6. microscopie à force atomique (AFM) <ol><li> Veiller au bon calibrage de l&#39;AFM selon le protocole du fabricant. Ouvrir échantillon transporteur et retirez délicatement échantillon en utilisant une pince à épiler. </li><li> Après élimination du transporteur, l&#39;installation en toute sécurité, l&#39;échantillon dans le manuel de vol en utilisant une méthode de fixation mécanique tel qu&#39;un système de serrage si possible. Concentrer la caméra AFM sur l&#39;échantillon, et de localiser les marques repères sur la surface de l&#39;échantillon pour aligner la pointe de l&#39;AFM au modèle basé sur la métrologie optique dans l&#39;étape 3.2. </li><li> Assurez-vous que les paramètres de l&#39;AFM seront montrer à la fois l&#39;information de la hauteur et de la phase et régler le format de numérisation se situer entre 20 et 40 m de large. Engager la pointe de l&#39;AFM sur l&#39;échantillon. </li><li> Utilisation de l&#39;information sur la hauteur et la phase à plus haute résolution, numériser jusqu&#39;à la région des schémas de localisation sont identifiés. Zoomez sur la re motifslocaliser région et la région dans laquelle une image est souhaitée. </li><li> Prenez une image des régions souhaitées en utilisant la qualité d&#39;image et une résolution appropriées (généralement la plus élevée possible). Une fois que toutes les régions souhaitées ont été numérisées, dégager la pointe de l&#39;échantillon. Décharger l&#39;échantillon. Répétez les étapes 4.1 et 4.2 pour le transport de l&#39;échantillon. </li></ol> 7. gravure ionique réactive <ol><li> Réfrigérer réacteur RIE couplage capacitif à -110 ° C, puis de charger l&#39;échantillon dans sa chambre intro et pomper jusqu&#39;à 7,5 x 10 -6 mbar. <ol><li> Stabiliser la température pendant 3 min. Ensuite, ouvrir le gaz avec des taux de O 2 du débit à 8 sccm (centimètre cube standard par minute), Ar à 40 sccm, et SF 6 à 20 sccm. </li><li> Grève plasma utilisant une décharge RF de 150 W, puis modifier le flux de gaz à graver pendant 1 min en utilisant SF 6 à 52 sccm et O 2 à 8 sccm. Interaction de ces gaz avec Si vous graver à une vitesse d&#39;environ 20 nm / min. 30 </sup&gt; </li><li> Pompe à vide à 7,5 x 10 -6 mbar. Purger le circuit de RIE. Répétez les étapes 4.1 et 4.2 pour le transport de l&#39;échantillon. </li></ol></li></ol> 8. microscopie électronique à balayage (MEB) <ol><li> SEM montage de l&#39;échantillon et de l&#39;introduction de l&#39;échantillon au système. <ol><li> Placer l&#39;échantillon non-adhésif monter dans un emplacement idéal pour faciliter le montage de l&#39;échantillon. </li><li> Ouvrir échantillon transporteur et retirez délicatement échantillon à l&#39;aide des pinces pour saisir l&#39;échantillon par les bords et en toute sécurité installer sur la montagne de SEM, puis d&#39;introduire ensemble de l&#39;échantillon dans SEM. </li><li> Vent et SEM chambre ouverte. Installer solidement ensemble de l&#39;échantillon à l&#39;étape de l&#39;échantillon SEM. Pomper chambre SEM. </li></ol></li><li> Repérez les repères. <ol><li> Apportez le grossissement à la plus faible valeur possible. Sélectionnez la tension et la poutre paramètres actuels d&#39;accélération qui donneraient une bonne résolution. Commencez par les plus bas paramètres acceptables. Montez au besoin. </li><li> Allumer le faisceau d&#39;électrons. Apportez la région généraled&#39;intérêt à distance de travail recommandé et la hauteur eucentrique. </li><li> Localisez et se concentrer sur des repères décrits dans la section 1.1. Réglez la distance de travail si nécessaire. Optimiser la mise au point, la luminosité et le contraste. </li></ol></li><li> Localisez l&#39;image et les motifs. <ol><li> Par rapport aux repères, localiser les modèles basés sur la métrologie optique de l&#39;article 3.2 et de l&#39;AFM métrologie de l&#39;article 6. Pour minimiser les dépôts de carbone sur les modèles, d&#39;optimiser accent utilisant des caractéristiques non essentielles à proximité. Une fois optimisé, se déplacer vers les modèles et d&#39;acquérir vue régimes images et des mesures. </li><li> Si nécessaire, inclinez l&#39;échantillon pour les images 3D et des mesures de hauteur du motif. Pour les autres modèles, répéter de 8,3 selon les besoins. </li></ol></li><li> Effectuer SEM routine de fermeture du système et à démonter échantillon / s, tel que prescrit par le fabricant SEM. Fixer l&#39;échantillon de nouveau dans le transporteur. </li><li> Répétez les étapes 4.3 et 4.4 pour le transport et le stockage des échantillons. À ce stade, les échantillons sont robustes et peuventêtre stockés pour une période de temps indéfinie. Effectuer des analyses post-imagerie si nécessaire. </li></ol>

<ol>
	<li>Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-dimensional+systems:+quantum+size+effects+and+electronic+properties+of+semiconductor+microcrystallites+(zero-dimensional+systems)+and+some+quasi-two-dimensional+systems.">Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems.</a> Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).</li><li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+Clusters,+Nanocrystals,+and+Quantum+Dots.">Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.</a> Science. 271 (5251), 933-937 (1996).</li><li>Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoelectromechanical+Systems.">Nanoelectromechanical Systems.</a> Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).</li><li>Dai, M. D., Kim, C. -. W., Eom, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+size+effect+on+nanomechanical+mass+detection:+the+role+of+surface+elasticity.">Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity.</a> Nanotechnology. 22 (26), 265502 (2011).</li><li>Personick, M., Mirkin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+sense+of+the+mayhem+behind+shape+control+in+the+synthesis+of+gold+nanoparticles.">Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).</li><li>Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Characterization+of+Programmable+DNA.">Design and Characterization of Programmable DNA.</a> Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon-based+molecular+nanotechnology.">Silicon-based molecular nanotechnology.</a> Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).</li><li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positioning+single+atoms+with+a+scanning+tunnelling+microscope.">Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope.</a> Nature. 344, 524-526 (1990).</li><li>Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+cascades.">Molecular cascades.</a> Science. 298, 1381-1387 (2002).</li><li>Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confinement+of+Electrons+to+Quantum+Corrals+on+a+Metal+Surface.">Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface.</a> Science. 262 (5131), 218-220 (1993).</li><li>Shen, T. -. C., Wang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-Scale+Desorption+Through+Electronic+and+Vibrational+Excitation+Mechanisms.">Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms.</a> Science. 268, 1590-1592 (1995).</li><li>Randall, J. N., Lyding, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+precision+lithography+on+Si.">Atomic precision lithography on Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).</li><li>Tong, X., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-induced+H+atom+desorption+patterns+created+with+a+scanning+tunneling+microscope:+Implications+for+controlled+atomic-scale+patterning+on+H-Si(100).">Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100).</a> Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).</li><li>Hitosugi, T., Hashizume, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Tunneling+Spectroscopy+of+Dangling-Bond+Wires+Fabricated+on+the+Si(100)-2x1-H+Surface.">Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface.</a> Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).</li><li>Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soliton+effects+in+dangling-bond+wires+on+Si(001).">Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001).</a> Phys. Rev B. 68, 115318 (2003).</li><li>Wolkow, R. A., Livadaru, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Beyond-CMOS Electronics. , 1-28 (2013).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+selective+chemistry+of+silicon+surfaces+by+ultrahigh-vacuum+scanning+tunneling+microscopy.">Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy.</a> Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).</li><li>Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+Atomic+Layer+Epitaxy+of+Si+/+Si(001):H.">Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201 (2011).</li><li>Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Von+Using+patterned+H-resist+for+controlled+three-dimensional+growth+of+nanostructures.">Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures.</a> App. Phys. Lett. 98 (16), 163102 (2011).</li><li>Ye, W., Pe&#241;a Martin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+writing+of+sub-5+nm+hafnium+diboride+metallic+nanostructures.">Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures.</a> ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).</li><li>Brien, J. L., Schofield, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunnelling+microscope+fabrication+of+arrays+of+phosphorus+atom+qubits+for+a+silicon+quantum+computer.">Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer.</a> Smart. 11 (5), 741-748 (2002).</li><li>Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam-induced+deposition+of+3-nm-half-pitch+patterns+on+bulk+Si.">Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Sisson, T. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multimode+hydrogen+depassivation+lithography:+A+method+for+optimizing+atomically+precise+write+times.">Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01 (2013).</li><li>Randall, J. N., Ballard, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+precision+patterning+on+Si:+An+opportunity+for+a+digitized+process.">Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process.</a> Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).</li><li>Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactivity+of+selectively+terminated+single+crystal+silicon+surfaces.">Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).</li><li>McDonnell, S., Longo, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+Atomic+Layer+Deposition+of+Titanium+Dioxide+on+Silicon:+Dependence+on+Surface+Termination.">Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination.</a> The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).</li><li>Kane, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+cleaning+of+metal+surfaces.">Plasma cleaning of metal surfaces.</a> J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567 (1974).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-level+study+of+the+robustness+of+the+Si(100)-2&#215;1:H+surface+following+exposure+to+ambient+conditions.">Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2&#215;1:H surface following exposure to ambient conditions.</a> App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).</li><li>Agostino, R., Flamm, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+etching+of+Si+and+SiO2+in+SF6&#8211;O2+mixtures.">Plasma etching of Si and SiO2 in SF6&#8211;O2 mixtures.</a> J. App. Phys. 52 (1), 162 (1981).</li><li>Longo, R. C., McDonnell, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selectivity+of+metal+oxide+atomic+layer+deposition+on+hydrogen+terminated+and+oxidized+Si(001)-(2&#215;1)+surface.">Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2&#215;1) surface.</a> J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112 (2014).</li><li>Ruess, F. J., Oberbeck, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+etched+registration+markers+to+make+four-terminal+electrical+contacts+to+STM-patterned+nanostructures.">The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures.</a> Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).</li><li>Ruess, F. J., Pok, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+Atomically+Controlled+Dopant+Devices+in+Silicon.">Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon.</a> Small. 3 (4), 563-567 (2007).</li><li>Li, K., Namboodiri, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+formation+of+atomic+step+morphology+on+micropatterned+Si+(100).">Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100).</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Owen, J. H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pattern+transfer+of+hydrogen+depassivation+lithography+patterns+into+silicon+with+atomically+traceable+placement+and+size+control.">Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804 (2014).</li><li>Gusev, E. P., Cabral, C., Copel, M., D&#8217;Emic, C., Gribelyuk, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U+ltrathin+HfO+2+films+grown+on+silicon+by+atomic+layer+deposition+for+advanced+gate+dielectrics+applications.">U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications.</a> Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Effectuer la métrologie sur les nanostructures décrites ci-dessus nécessite la capacité de combler le positionnement de la pointe pendant HDL et le modèle emplacement à l&#39;aide d&#39;autres outils tels que l&#39;AFM et SEM. Contrairement à d&#39;autres outils de structuration bien développés avec haute résolution position de codage comme la lithographie par faisceau d&#39;électrons, le HDL effectué ici a été réalisée avec un STM sans positionnement grossier bien contrôlée, de sorte que des protocole...

Comme la nanotechnologie devient plus important dans une grande variété d&#39;arènes, la compréhension des structures étant formé gagne en importance, notamment dans les domaines de la lithographie et de l&#39;électronique. Pour souligner l&#39;importance de la métrologie à l&#39;échelle nanométrique, en particulier à des échelles inférieures à 10 nm, il convient de souligner qu&#39;une variation de la taille de la fonction de seulement 1 nm indique une variation fractionnaire au moins 10%. Cette variation peut avoir des implications importantes pour les performances de l&#39;appareil et de caractère matériel 1,2 -. 4 Utilisation de méthodes de synthèse, les caractéristiques individuelles formées très précisément tels que les points quantiques ou d&#39;autres molécules complexes peuvent être fabriqués, 2,5,6 mais manquant généralement la même précision dans le placement de fonctionnalité et de l&#39;orientation, malgré les travaux en vue d&#39;améliorer la taille et le placement de contrôle. Ce document démontre une approche pour la fabrication de nanostructures avec une précision proche de taille atomique et une précision atomique en fonction de placement, ainsi quemétrologie atomique dans fonctionnalité de placement. Utilisation de la précision atomique du microscope à effet tunnel (STM) induite par l&#39;hydrogène Dépassivation Lithographie (HDL), les modèles atomiquement précis avec un contraste sensibles aux produits chimiques sont formées sur une surface. Atomic Layer Deposition sélective (ALD) applique ensuite un matériau d&#39;oxyde dur dans les zones à motifs, avec Reactive Ion Etching (RIE) à transférer finalement les motifs dans la matière en vrac, comme représenté schématiquement sur ​​la figure 1. La combinaison du procédé de HDL très précis avec la norme ALD et RIE traite résultats dans une méthode flexible pour produire des nanostructures sur une surface de forme arbitraire et positionnement. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> Figure 1. nanofabrication primaire étapes de processus. A titre d&#39;exemple, un carré de 200 x 200 nm nm est représentée. Chaque flèche circulaire indique une étape de l&#39;exposition atmosphérique et tRANSPORT entre les sites. Après UHV préparation des échantillons, l&#39;échantillon est modelée en utilisant UHV HDL suivi par STM métrologie (en haut à gauche). ALD est ensuite réalisée, suivie par l&#39;AFM métrologie (à droite). RIE transfère les modèles en Si (100), suivie par SEM métrologie (en bas à gauche). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> La lithographie la plus précise à ce jour implique généralement des techniques de sonde numérisées, modélisation basée STM-spécifiquement où la résolution atomique structuration et la fonctionnalisation a été démontrée dans de nombreuses applications. 7 nanostructures Auparavant, la manipulation de l&#39;atome a produites avec une précision ultime en utilisant des atomes individuels comme blocs de construction, 8 , 9,10 mais les nanostructures nécessaires conditions cryogéniques et donc manqué à long terme de robustesse. RT atome manipulation par élimination d&#39;atomes d&#39;hydrogène à partir de la surface a été montré, Spécifiquesly HDL. 11,12,13 HDL promet pour permettre de nouvelles classes d&#39;appareils électroniques et d&#39;autres basés sur la localisation spatiale de contraste de surface. Utilisation de HDL sans traitement ultérieur, diverses architectures de dispositif sont possibles y compris balançant fils de connexion ou des dispositifs logiques. 14,15,16 En plus de fournir contraste électrique, HDL peut introduire contraste chimique sur la surface où la couche de passivation de H a été enlevée, en effet création d&#39;un modèle pour une autre modification chimique. Cette modification chimique a été démontrée sur silicium et d&#39;autres surfaces, montrant la sélectivité pour le dépôt de métaux, 17, 18 et isolants semi-conducteurs même. 16,19 Chacun de ces exemples produit deux structures tridimensionnelles, afin que les autres étapes de traitement doit être utilisé pour produire trois vrai structures tridimensionnelles avec le contrôle atomique résolu promis par HDL. Motif répété précédemment, ce qui a nécessité, 19,20,21 recuit, 22 </suprocessus p&gt; ou moins bien résolus tels que e-faisceau en fonction de la pointe-dépôt induite. 23 Semblable à la lithographie électronique, HDL utilise un flux d&#39;électrons localisée pour exposer une résister. Plusieurs similitudes existent tels que la capacité d&#39;effectuer multi-mode lithographie avec la taille du spot variable et l&#39;efficacité de la structuration. 24 Cependant, la véritable puissance de HDL se pose de la façon dont elle diffère de la lithographie par faisceau d&#39;électrons. Tout d&#39;abord, la réserve du HDL est une monocouche d&#39;hydrogène atomique sorte que résister à l&#39;exposition devient un processus numérique; la réserve atome soit est ou non présent. 25 Depuis le placement H atome correspond à la Si sous-jacent (100) Lattice le processus de HDL peut être un processus atomique précise, mais il convient de noter que dans ce document, le HDL a une précision nanométrique comme plutôt que d&#39;avoir la perfection atomique et donc est pas numérique dans ce cas. Étant donné que la source d&#39;électrons en HDL est local à la surface, les différents modes de fonctionnement de faciliter à la fois STMoptimisation de débit ainsi que la vérification des erreurs. À biais pointe échantillons ci-dessous ~ 4,5 V, la lithographie peut être effectuée au niveau de l&#39;atome simple avec une précision atomique, connu sous le nom Atomiquement mode précis (mode AP). En revanche, au-dessus des préjugés ~ 7 V, des électrons sont émis directement à partir de la pointe de l&#39;échantillon avec des largeurs de ligne de large et de haute efficacité Dépassivation, connus ici comme le mode Field Emission (mode FE). Débits HDL peuvent alors être optimisés en combinaison judicieuse de ces deux modes, bien que les débits globaux restent faibles par rapport à l&#39;e-lithographie par faisceau avec un motif jusqu&#39;à 1 pm 2 / minute possible. Lorsque la polarisation est inversée de sorte que l&#39;échantillon est maintenu à ~ -2.25 V, électrons tunnel de l&#39;échantillon à la pointe avec une très faible efficacité de dépassivation, permettant ainsi l&#39;inspection de la structure atomique de la surface à la fois pour la correction d&#39;erreur et atomique métrologie à grande échelle . Ce procédé de fabrication de nanostructures représenté sur la figure 1 </strong&gt; commence par une étape UHV-HDL, de la manière décrite ci-dessus. Après HDL, l&#39;échantillon est mis à l&#39;atmosphère, au moment où les zones à motifs deviennent saturés avec de l&#39;eau, formant une fine (ie, ~ 1 monocouche) couche de SiO 2. 26 Après le transport, l&#39;échantillon est inséré dans une chambre d&#39;ALD pour le dépôt de l&#39;oxyde de titane (TiO 2), avec des épaisseurs d&#39;environ 3.2 nm déposée ici, mesurée par AFM et XPS. 27 Etant donné que la réaction de l&#39;oxyde de titane dépend d&#39;une saturation en eau de la surface, ce procédé est possible, malgré l&#39;exposition de l&#39;atmosphère qui sature la surface avec de l&#39;eau . Ensuite, pour transférer le motif de masque d&#39;ALD dans la masse de l&#39;échantillon a été gravé en utilisant RIE de sorte que 20 nm de Si est retiré, avec la profondeur de gravure déterminé par AFM et SEM. Afin de faciliter les étapes de métrologie, un rapport Si (100) plaquette est modelée avec une grille de lignes qui sont conçus pour être visible après UHV préparation par un microscope optique à longue distance de travail, AFM vue en plan imagerie optique, etfaible grossissement vue en plan SEM imagerie. Pour aider à identifier les structures à l&#39;échelle nanométrique, les modèles 1 pm 2 serpentines (SERPs) sont calqués sur les échantillons avec les nanoschémas plus isolées situées à des endroits fixes par rapport à la SERPs. Cette combinaison de HDL, ALD sélective, et RIE peut être un processus important pour nanostructure fabrication, et il comprend une métrologie à l&#39;échelle atomique comme un sous-produit naturel du processus. Ci-dessous, nous incluons une description détaillée des étapes pour fabriquer des sous-nanostructures 10 nm de Si (100) en utilisant HDL, ALD sélective, et RIE. On suppose que l&#39;on est homme de chacun de ces procédés, mais l&#39;information sera incluse lié à la manière d&#39;intégrer les divers processus. Une attention particulière sera accordée aux difficultés inattendues rencontrées par les auteurs afin d&#39;éviter que les mêmes difficultés, en particulier celles liées au transport et à la métrologie.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Si Wafer</td>
			<td>VA Semiconductor</td>
			<td></td>
			<td>P type (Boron) Si&#60;100&#62; +/- 2 degrees, 280 mm +/- 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ta foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>335</td>
			<td>0.025mm (0.001in) thick, 99.997% (metals basis)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19393</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19397</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19392</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon</td>
			<td>Praxair</td>
			<td></td>
			<td>Ultra high purity (grade 5.0)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>Milli-Q Water Purification System</td>
			<td>&#62;18 MW resistance water produced on demand.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TiCl4</td>
			<td>Sigma Aldrigh</td>
			<td>254312</td>
			<td>&#8805;99.995% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O2</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2182101</td>
			<td>Research Grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SF6</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2658922</td>
			<td>Ultra high purity (grade 4.7)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue Medium Tack Roll</td>
			<td>Semiconductor Equipment Corporation</td>
			<td>18074</td>
			<td>Thickness 75 um / .003&#8221;&#160; Length 200 M / 660&#8217;&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomically traceable nanostructure fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

Dans les cas décrits ici, HDL est effectuée à l&#39;aide multi-mode lithographie. 24 En mode FE, réalisée avec 8 V biais de l&#39;échantillon, 1 nA, et 0,2 mC / cm (équivalent à 50 nm / s la vitesse de pointe), la pointe se déplace sur la surface soit parallèle, soit perpendiculaire au réseau de Si, en produisant des lignes de dépassivation. Bien que cette forme de raie est très dépendant de pointe, dans le cas ici, la partie complètement dépassivée des lignes était d&#39;environ 6 nm de lar...

Watch this Scientific Journal Video about Atomically Traceable Nanostructure Fabrication at JoVE.com

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomiquement traçable nanostructures Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Research

JoVE Journal

Engineering

8.6K vues.  Zyvex Labs. We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated. 

Vidéo: Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

Fabrication d&#39;oxydes complexes spatialement confinés

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Recherche

Ingénierie

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabrication et les essais de microfluidiques opto oscillateurs

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Patterning par Transitions Optical saturable - Fabrication et caractérisation

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

Fabrication et caractérisation de supraconductrices Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Fabrication de tableaux de Nanocup or périodique à l’aide de lithographie colloïdale

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Fabrication de Surfaces superhydrophobes en métal pour Applications d’antigivrage

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...

Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with diverse customization options and favorable production methods is increasing continuously. With fused filament fabrication (FFF), it is possible to produce large and complex components quickly with high material efficiency. In FFF, a continuous thermoplastic filament is melted in a heated nozzle and deposited below. The computer-controlled print head is moved in order to build up the desired shape layer by layer. Investigations regarding printing of metals or ceramics are increasing more and more in research and industry. This study focuses on additive manufacturing (AM) with a multi-material approach to combine a metal (stainless steel) with a technical ceramic (zirconia: ZrO2). Combining these materials offers a broad variety of applications due to their different electrical and mechanical properties. The paper shows the main issues in preparation of the material and feedstock, device development, and printing of these composites.

Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components

This study shows multi-material additive manufacturing (AM) using fused filament fabrication (FFF) of stainless steel and zirconia.

Fabrication de Filament fondu (FFF) des composants en métal-céramique

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending deformation and low input. However, their monotonous bending motion form in two-dimensional (2-D) space keeps them away from wide applications. This paper presents a detailed fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers, to explore their motions in three-dimensional (3-D) space. The design of oblique chambers enables actuators with tunable coupled bending and twisting capabilities, which gives them the possibility to move dexterously in flexible manipulators, to become biologically inspired robots and medical devices. The fabrication process is based on the molding method, including the silicone elastomer preparation, chamber and base parts fabrication, actuator assembly, tubing connections, checks for leaks, and actuator repair. The fabrication method guarantees the rapid manufacturing of a series of actuators with only a few modifications in the molds. The test results show the high quality of the actuators and their prominent bending and twisting capabilities. Experiments of the gripper demonstrate the advantages of the development in adapting to objects with different diameters and providing sufficient friction.

Here we present a fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers. The actuators are capable of generating coupled bending and twisting motions, which broadens their application in soft robotics.

Fabrication de doux réseau pneumatique actionneurs avec chambres Oblique

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. This wetting phenomenon is important in many technical fields ranging from physiology to aerospace engineering. Currently, several different techniques exist for fabricating hemiwicking structures. These conventional methods, however, are often time consuming and are difficult to scale-up for large areas or are difficult to customize for specific, nonhomogeneous patterning geometries. The presented protocol provides researchers with a simple, scalable, and cost-effective method for fabricating micro-patterned hemiwicking surfaces. The method fabricates wicking structures through the use of stamp printing, polydimethylsiloxane (PDMS) molding, and thin-film surface coatings. The protocol is demonstrated for hemiwicking with ethanol on PDMS micropillar arrays coated with a 70 nm thick aluminum thin-film.

A simple protocol is provided for the fabrication of hemiwicking structures of varying sizes, shapes, and materials. The protocol uses a combination of physical stamping, PDMS molding, and thin-film surface modifications via common materials deposition techniques.

Impression de timbre évolutive et Fabrication de Surfaces Hemiwicking

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber reinforced composites, due to its excellent mechanical properties. Delignified wood, however, is rather fragile in a wet state, which makes handling and shaping challenging. Here we present two fabrication processes, closed-mold densification and vacuum densification, to produce high-performance cellulose composites based on delignified wood, including an assessment of their advantages and limitations. Further, we suggest strategies for how the composites can be re-used or decomposed at the end-of-life cycle. Closed-mold densification has the advantage that no elaborate lab equipment is needed. Simple screw clamps or a press can be used for densification. We recommend this method for small parts with simple geometries and large radii of curvature. Vacuum densification in an open-mold process is suitable for larger objects and complex geometries, including small radii of curvature. Compared to the closed-mold process, the open-mold vacuum approach only needs the manufacture of a single mold cavity.

Delignified densified wood represents a new promising lightweight, high-performance and bio-based material with great potential to partially substitute natural fiber reinforced- or glass fiber reinforced composites in the future. We here present two versatile fabrication routes and demonstrate the possibility to create complex composite parts.

Fabrication et conception de composites haute performance à base de bois

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...