電子束誘導沉積

電子束誘導沉積（Electron beam-induced deposition，EBID）是一種使用電子束分解氣相分子，從而在襯底上的特定位置實現沉積生長的技術。電子束誘導沉積實驗中的電子束常常由掃描電子顯微鏡提供。這是因為掃描電子顯微鏡的電子束具有極高的空間精準度（可達納米級別）；這也使得電子束誘導沉積具有生長出獨立三維結構的潛能。

基本介紹

• 中文名：電子束誘導沉積
• 外文名：Electron beam-induced deposition
• 相關儀器：掃描電子顯微鏡
• 縮寫：EBID
• 優點：多種潛在的前體可供選擇
• 缺點：較低的沉積率限制了大規模的生產

實驗流程

電子束誘導沉積中的電子束往往由掃描電子顯微鏡或掃描透射電子顯微鏡提供，而離子束誘導沉積（IBID）則用聚焦離子束代替了電子束。前體材料一般是液體或固體；在沉積實驗前，前體材料會被汽化或升華，之後在實驗中以準確控制的速率進入掃描電鏡所在的高真空腔。固態的前體也可以在腔內直接用電子束升華。若實驗溫度較高，或沉積過程中用到的是腐蝕性的氣體，則會用一種特殊設計的沉積腔進行實驗：沉積腔與電鏡隔離；電子束通過一個微米大小的開口進入沉積腔。這個開口的大小保持了電鏡與沉積腔之間的壓強差。此沉積模式已經被套用在鑽石的電子束誘導沉積中。

將氣態的前體輸入真空腔之後，電子束開始在襯底表面來回掃描，使材料開始在掃描的位置沉積。沉積的速率取決於多個參數，例如前體的分壓、襯底的溫度以及電子束的參數等等。一般的沉積速率在10nm/s的數量級。SEM 或 STEM 中的初級電子能量常常在10到300 keV之間，而電子誘發的反應（即前體的離解）截面較小。因此，主要的分解反應是通過低能電子（二次電子或非彈性散射電子）發生的。

空間解析度

雖然 S(T)EM 的電子束可以被聚焦到~0.045nm大小的一點，但是電子束誘導沉積能夠生長的最小結構的直徑約為~0.7nm。這是由鄰近效應導致的：二次電子、背散射電子和向前散射電子共同影響著沉積的結果。這個問題在電子束曝光領域常常通過套用一些補償算法來解決。

前體材料

截至2008年，可用電子束誘導沉積的材料包括Al、Au、無定形碳、鑽石、Co、Cr、Cu、Fe、GaAs、GaN、Ge、Mo、Nb、Ni、Os、Pd、Pt、Rh、Ru、Re、Si、Si₃N₄、SiO_x、TiO_x和W，且還在繼續發展。最常用的前體是 Me(CO)_x結構的金屬羰基配合物或茂金屬：雖然它們易於製備，但是由於 CO配體中的碳原子較多，導致沉積的目標金屬含量較低。金屬鹵化物（例如WF₆）作為前體的沉積較 Me(CO)_x更為乾淨，但由於它們一般有毒且有腐蝕性，導致沉積的過程較難掌握。化合物的沉積一般會用到一些特別的工藝與氣體，例如用 D₂GaN₃來沉積 GaN。

優缺點

優勢

• 由於可以精確控制電子束，生長的結構和沉積的準確度都達到空前的水準；
  
• 多種潛在的前體可供選擇；
  
• 可在生長過程中用透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、能量色散X射線能譜、電子衍射等技術表征沉積的材料，或是在反應過程中測定電學與光學性質。
  

缺陷

• 較低的沉積率限制了大規模的生產；
  
• 因為前體的分解過程還是未知領域，對化學沉積成分的控制具有挑戰性；
  
• 鄰近效應會導致結構多餘地加寬。
  

離子束誘導沉積

離子束誘導沉積（Ion beam-induced deposition，IBID）與電子束誘導沉積極為類似，只是將電子束替換為離子束（常用30 keV Ga）。兩種技術都是藉助二次電子來進行沉積。相比於電子束誘導沉積，離子束誘導沉積的沉積速率較快，且沉積純度較高。然而，離子束誘導沉積有如下缺陷：

• 較高角速度的二次電子導致了較低的空間解析度；
  
• Ga離子引入了雜質，且會破壞沉積結構；
  
• 由於沉積需要使用聚焦離子束實驗裝置，沉積的表征手段受到了一定的限制。
  

結構

電子束誘導沉積可以通過電腦控制電子束的掃描來生長任意的三維納米結構；整個結構僅開始的位置連線在襯底上，其他部分都是獨立自由的。科學家已成功生長出：

• 世界上最小的磁鐵；
  
• 分形納米樹（Fractal nanotrees）；
  
• 納米環（潛在的納米超導量子干涉儀裝置）；
  
• 超導納米線。
  

相關條目

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