Made available in DSpace on 2014-06-12T18:00:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2348_1.pdf: 7539865 bytes, checksum: 1b54123a279172217fa5e04c621a724d (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / Faculdade de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco / Nesta tese foram desenvolvidas duas técnicas de litografia do tipo bottom-up usando o Microscópio de Força Atômica (MFA). Foram fabricadas estruturas magnéticas mesoscópicas com várias geometrias. As estruturas básicas foram nanofios metálicos magnéticos com espessuras a partir de 3.5 nm, larguras a partir de 300 nm e comprimentos a partir de 10 μm. Foram detalhadamente desenvolvidas duas técnicas de nanofabricação: nanofabricação mecânica e nanofabricação por oxidação anódica local. Foram estudados processos de reversão da magnetização em geometrias confinadas utilizando técnicas de transporte elétrico. Foram desenvolvidos modelos analíticos que interpretam satisfatoriamente os processos de magnetização nas estruturas fabricadas. Na primeira técnica de fabricação o padrão de interesse é transferido mecanicamente utilizando a sonda de MFA para remover o polímero polimetil metacrilato (PMMA) apenas na região desejada, até expor o substrato de Si(001). Em seguida o material de interesse é depositado pela técnica de sputtering sobre toda a superfície da amostra cobrindo tanto o PMMA restante como o padrão desenhado, deixando o material depositado na área litografada em contacto com o substrato. Na segunda técnica desenvolvida fabrica-se uma máscara de óxido de germânio (GeO2) sobre a superfície de PMMA. O padrão de GeO2 é fabricado pela técnica de Oxidação Anódica Local onde a sonda de MFA é usada como eletrodo para realizar a oxidação numa atmosfera com humidade controlada. O processo é composto das seguintes etapas: (i) deposição da camada de PMMA de 90 nm de espessura por spin coating sobre o substrato de Si (001), onde foi previamente depositada uma camada de SiO2; (ii) tratamento térmico do filme de polímero para evaporação dos solventes; (iii) deposição por sputtering do filme de Ge de espessura de 7 nm sobre a superfície de PMMA; (iv) processo de oxidação por anodização local da superfície de Ge utilizando a sonda de MFA (nesta etapa é fabricado o padrão desejado de GeO2); (v) remoção do GeO2 utilizando simplesmente água, deixando a superfície de PMMA exposta apenas na região litografada; (vi) remoção do PMMA apenas na região litografada utilizando-se ataque por plasma de O2 (dry etching); (vii) deposição por sputtering do material de interesse (metal magnético) sobre a máscara; (viii) remoção do material indesejado através de banho de acetona finalmente deixando a nanoestrutura desejada sobre o substrato. Um estudo detalhado de todo o processo mostrou a importância do controle completo de todos os parâmetros ii envolvidos para garantir a reprodutibilidade das estruturas fabricadas. Investigamos o processo de Oxidação Anódica Local do filme de Ge em função do tipo da tensão aplicada (dc ou pulsada) e verificamos que o processo de crescimento do óxido passa por dois regimes: crescimento vertical e crescimento lateral. A dependência da dimensão do óxido de Ge com a forma de onda e com o valor da tensão aplicada foi interpretado com base em um modelo desenvolvido por Cabrera-Mott. Tendo dominado todo o processo de nanofabricação descrito acima foi possível fabricar estruturas planares metálicas magnéticas. Foram fabricados nanofios de diferentes geometrias e diferentes metais magnéticos. Utilizamos técnicas de transporte elétrico dc para investigar os processos de reversão da magnetização em nanofios com seção transversal retangular, que neste caso possuem uma forte anisotropia uniaxial originada pelo confinamento. A técnica de magnetoresistência se mostrou muito sensível para identificar claramente o campo magnético de reversão da magnetização em função do campo aplicado e do ângulo entre o campo e o eixo do fio. Foi mostrada que a dependência angular do campo de reversão da magnetização nestas estruturas confinadas é uma assinatura do modo de instabilidade da magnetização que ocorre imediatamente antes da reversão. Mostramos que a reversão da magnetização nos nanofios de Permalloy (Ni81Fe19) de seção retangular ocorre pelo processo de Buckling. Usamos um modelo analítico baseado na teoria do princípio variacional, proposta por Brown, que calcula o campo de nucleação e que interpreta de forma correta a dependência angular do campo de reversão da magnetização. Também foram investigadas propriedades de fios mesoscópicos depositados sobre substratos mais exóticos como granadas monocristalinas de ítrio e ferro dopadas com bismuto

A oxidação anódica local utilizando o Microscópio de Força Atômica (AFM - Atomic Force Microscopy) foi investigada aplicando-se uma tensão negativa entre sonda de nitreto de silício e superfícies de Si. Todas as amostras foram limpas em uma solução de 1 NH4OH (30%): 1H2O2 (38%): 4H2O(DI) a 80ºC conhecida na literatura como SC1 (Standard Cleaning 1) ou, alternativamente, uma imersão em solução diluída de ácido hidrofluorídrico seguido de SC1 ou fervura em álcool isopropílico. As nano-oxidações consistiram de padrões quadrados localizados de óxido com área de 0,25 µm² e foram obtidos através do crescimento de linhas paralelas com espaço e comprimento interlinear constante (<2 nm) e várias varreduras dos quadrados em uma mesma área. Das análises de AFM, foram obtidos perfis transversais e 3D, os quais foram empregados na obtenção da espessura do óxido como função da tensão aplicada, número de varreduras e intervalo de tempo após a limpeza SC1. Foi observado que a espessura aumenta com a tensão negativa aplicada e com o número de varreduras. Também foram realizadas simulações para levantar as distribuições de tensão e de campo elétrico no sistema sonda-ar-silício ou sonda-ar-óxido-silício(substrato). Observou-se uma oxidação local assistida por um alto campo elétrico capaz de induzir difusão iônica local finita na extremidade da sonda. Foi simulado também o efeito das diferentes terminações de sonda do AFM, circular ou pontiaguda, no campo elétrico e na queda de tensão. Foram também realizadas oxidações com sondas recobertas com ouro em superfícies de Si precedidas de imersão simples em solução de ácido hidrofluorídrico seguido ou não do procedimento de limpeza SC1. Por fim, análises de absorção por infravermelho (FTIR) foram realizadas em superfícies de Si oxidadas por AFM para analisar a estrutura dos óxidos anódicos obtidos. A oxidação anódica utilizando sondas de nitreto de silício ocorre apenas após pré-limpeza terminada com SC1, sendo catalisada pelos altos campos elétricos (_ 106 V/cm), tendo como elementos reagentes, as espécies H2O adsorvidas e o óxido nativo hidrolisado na superfície após a etapa de limpeza SC1. / Local anodic oxidation of silicon using Atomic Force Microscopy (AFM) was investigated by applying a negative voltage between silicon nitride tip and Si surfaces. All samples were cleaned with an ammonium-based solution known in literature as standard cleaning 1 (SC1) or a dip in a diluted hydrofluoric acid solution followed by SC1 or, also, boiling in isopropyl alcohol. Localized squares patterns of oxide, 0.25 µm² in area, were formed by growing parallel lines with constant interlinear spacing and length and several scans in the same area. From AFM analysis with non-biased tip, it was obtained 3D and section profiles, which were used to obtain the oxide thickness as a function of the applied voltage, number of scans and interval of time after SC1 cleaning. It was noteworthy that thickness increases with the applied negative voltage and with the number of scans. Simulations were performed in order to model voltage and electric field distributions of the system tip-air-silicon or tip-air-oxide-silicon(substrate) indicating a local oxidation assisted by high electrical field and local ionic diffusion of species. It was simulated the effect of tip termination, circular or sharpen, on the electric field and voltage distributions. In addition, oxidations were performed using Au coated tips onto Si surfaces previously dipped in diluted hydrofluoric acid solution followed or not by SC1 cleaning process. Finally, infrared absorption analysis (FTIR) were performed in order to analise the structure of the obtained anodic oxides. The anodic oxidation using silicon nitride tips has occurred only after SC1 precleaning step, being catalized by high electric field (_ 106 V/cm), having as reagents, the adsorbed water species and hydrolized native oxide on the surface after the SC1 cleaning step.

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro, Mônica Alonso Cotta / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T12:21:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FernandezSiles_PabloRoberto_D.pdf: 92147655 bytes, checksum: 90f1bd2777802f404d54c2932a48220c (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Os mecanismos de confinamento e transporte em escala nanométrica continuam a ser um desafio em Física do Estado Sólido, uma vez que tanto a dimensionalidade quanto o tamanho dos dispositivos continuam a ser reduzidos. Desta forma, o estudo e entendimento do transporte em materiais amorfos e nano-cristalinos, que apresentam acoplamento de processos de transporte eletrônico e iônico é de grande relevância atualmente. Neste sentido, aplicações tecnológicas que incluem desde o desenvolvimento de sensores (TiO2) até a fabricação de novos dispositivos de memórias com características não voláteis ¿ dispositivos memoristores ¿ podem ser citadas. Esta tese consiste no estudo de propriedades de transporte em nanoestruturas semicondutoras. Dois tipos de estruturas são investigados: i) pontos quânticos autoformados de InAs sobre substratos de GaAs, e ii) dispositivos memoristores produzidos por meio de litografia por oxidação anódica local (LAO), considerando estruturas do tipo Ti-TiO2-Ti. Técnicas de Espectroscopia de Capacitância, considerando fatores de tipo estrutural (barreira de tunelamento) e experimental (temperatura, frequência e voltagem), podem ser utilizadas para a determinação dos mecanismos de transporte, densidades de estados, concentração de impurezas etc, no caso do sistema III-V InAs/GaAs. No caso do TiO2, crescido por meio de Sputtering DC, processos de caracterização permitem apontar características ópticas, por meio de Elipsometria, características estruturais, por Microscopia de Força Atômica (AFM) e Difração de Raio-X (XRD), e a composição química, por Espectroscopia de Fotoelétrons por Raio-X (XPS) e Retro-Espalhamento Rutherford (RBS). Finalmente, a litografia por oxidação anódica local pormeio de AFM permite desenhar as estruturas do tipo metal-óxido-metal, que apresentam características elétricas de chaveamento entre estados de alta e baixa condutividade, dependentes da frequência ¿ sinais típicos do comportamento memoristivo. O estudo dos pontos quânticos permite calibrar os mecanismos de transporte por meio de Espectroscopia de Capacitância. Já os dispositivos memoristores, conformados por estruturas planares, e fabricados neste trabalho por meio de litografia por oxidação local, permitem identificar importantes características elétricas retificadoras que apresentam um comportamento elétrico não volátil. Estas características memoristivas são promissoras, pois possibilitam avançar no entendimento e fabricação de um novo tipo de dispositivos com o potencial de se tornar uma nova geração de dispositivos de memória não voláteis / Abstract: As the dimension and size of electronic devices continue to be reduced, confinement and transport mechanisms at nanometric scale remains nowadays as a great challenge in Solid State Physics. Thus, the study and understanding of transport processes in amorphous and nanocrystalline materials ¿ characterized by the coupling of electronic and ionic behavior ¿ becomes highly relevant currently. Technological applications comprise for example the development of sensors (TiO2) and the fabrication of new memory devices with non volatile characteristics ¿ memristor devices. This thesis is intended to study transport properties in semiconducting nanostructures. Two different kinds of structures are investigated: i) self-assembled InAs quantum dots grown on GaAs substrates and ii) memristor devices produced by means AFM Local Anodic Oxidation Lithography (LAO), considering planar Ti-TiO2-Ti structures. Considering structural (tunneling barrier) as well as experimental factors (temperature, frequency and gate bias), Capacitance Spectroscopy is implemented here. This technique supplies information for the determination of transport mechanisms, density os states, concentration of impurities etc, considering the III-V system (InAs/GaAs). In the case of the TiO2 thin films are prepared by means of Sputtering DC. A characterization process permits to point out optical properties, by means of Elipsometry, structural properties, by means of Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction, and chemical characteristics, by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Rutherford Backscattering (RBS). Finally, an AFM Local Anodic Oxidation lithography technique permits to design metal-oxide-metal structures. These structures are characterized by frequency-dependent conductive switching states ¿ typical signature of memristive behavior. Quantum dots studies permit to perform a calibration of transport mechanisms by means of Capacitance Spectroscopy. On the other hand, the planar memristor devices fabricated in this work by means of Local Anodic Oxidation present important rectifying electrical characteristics with non volatile behavior. This memristor approach permits to put forward in the understanding and fabrication of a new family of devices with the potential to become a new generation of non volatile memory devices / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

A oxidação anódica local utilizando o Microscópio de Força Atômica (AFM - Atomic Force Microscopy) foi investigada aplicando-se uma tensão negativa entre sonda de nitreto de silício e superfícies de Si. Todas as amostras foram limpas em uma solução de 1 NH4OH (30%): 1H2O2 (38%): 4H2O(DI) a 80ºC conhecida na literatura como SC1 (Standard Cleaning 1) ou, alternativamente, uma imersão em solução diluída de ácido hidrofluorídrico seguido de SC1 ou fervura em álcool isopropílico. As nano-oxidações consistiram de padrões quadrados localizados de óxido com área de 0,25 µm² e foram obtidos através do crescimento de linhas paralelas com espaço e comprimento interlinear constante (<2 nm) e várias varreduras dos quadrados em uma mesma área. Das análises de AFM, foram obtidos perfis transversais e 3D, os quais foram empregados na obtenção da espessura do óxido como função da tensão aplicada, número de varreduras e intervalo de tempo após a limpeza SC1. Foi observado que a espessura aumenta com a tensão negativa aplicada e com o número de varreduras. Também foram realizadas simulações para levantar as distribuições de tensão e de campo elétrico no sistema sonda-ar-silício ou sonda-ar-óxido-silício(substrato). Observou-se uma oxidação local assistida por um alto campo elétrico capaz de induzir difusão iônica local finita na extremidade da sonda. Foi simulado também o efeito das diferentes terminações de sonda do AFM, circular ou pontiaguda, no campo elétrico e na queda de tensão. Foram também realizadas oxidações com sondas recobertas com ouro em superfícies de Si precedidas de imersão simples em solução de ácido hidrofluorídrico seguido ou não do procedimento de limpeza SC1. Por fim, análises de absorção por infravermelho (FTIR) foram realizadas em superfícies de Si oxidadas por AFM para analisar a estrutura dos óxidos anódicos obtidos. A oxidação anódica utilizando sondas de nitreto de silício ocorre apenas após pré-limpeza terminada com SC1, sendo catalisada pelos altos campos elétricos (_ 106 V/cm), tendo como elementos reagentes, as espécies H2O adsorvidas e o óxido nativo hidrolisado na superfície após a etapa de limpeza SC1. / Local anodic oxidation of silicon using Atomic Force Microscopy (AFM) was investigated by applying a negative voltage between silicon nitride tip and Si surfaces. All samples were cleaned with an ammonium-based solution known in literature as standard cleaning 1 (SC1) or a dip in a diluted hydrofluoric acid solution followed by SC1 or, also, boiling in isopropyl alcohol. Localized squares patterns of oxide, 0.25 µm² in area, were formed by growing parallel lines with constant interlinear spacing and length and several scans in the same area. From AFM analysis with non-biased tip, it was obtained 3D and section profiles, which were used to obtain the oxide thickness as a function of the applied voltage, number of scans and interval of time after SC1 cleaning. It was noteworthy that thickness increases with the applied negative voltage and with the number of scans. Simulations were performed in order to model voltage and electric field distributions of the system tip-air-silicon or tip-air-oxide-silicon(substrate) indicating a local oxidation assisted by high electrical field and local ionic diffusion of species. It was simulated the effect of tip termination, circular or sharpen, on the electric field and voltage distributions. In addition, oxidations were performed using Au coated tips onto Si surfaces previously dipped in diluted hydrofluoric acid solution followed or not by SC1 cleaning process. Finally, infrared absorption analysis (FTIR) were performed in order to analise the structure of the obtained anodic oxides. The anodic oxidation using silicon nitride tips has occurred only after SC1 precleaning step, being catalized by high electric field (_ 106 V/cm), having as reagents, the adsorbed water species and hydrolized native oxide on the surface after the SC1 cleaning step.