Příprava funkčních nanostruktur a jejich analýza povrchově citlivými technikami

Abstract

Tato disertační práce se zaměřuje na zkoumání možností využití technik založených na mikroskopii atomárních sil (AFM), konkrétně Kelvinovy sondové mikroskopie (KPFM) a vodivostního AFM (CAFM), pro elektrickou charakterizaci nanomateriálů. Nejvýznamnější část práce se věnuje charakterizaci elektrických vlastností dislokací v AlGaN/GaN. Hlavní dosažené výsledky jsou následující: CAFM měření dislokací v GaN a AlGaN bylo optimalizováno tak, aby poskytovalo spolehlivá data pro další korelaci s jinými technikami. Je ukázána korelace s technikou zobrazování kontrastu elektronového kanálování (ECCI). Měření na AlGaN vyžadovalo důkladné čištění vzorku a hrotu pomocí opakovaných cyklů oxidace a leptání, aby bylo dosaženo stabilního a reprodukovatelného měření. Bez tohoto postupu docházelo k rychlé ztrátě vodivosti hrotu. Pro lepší porozumění procesům probíhajícím na povrchu GaN byla proto provedena dodatečná chemická analýza citlivá na povrch. Dále byla vyvinuta modifikace CAFM techniky pracující v režimu konstantního proudu (cc-CAFM), která ještě zlepšila stabilitu měření. Tato technika navíc umožňuje snadnou vizualizaci všech vodivých dislokací bez ohledu na jejich prahové napětí – automaticky zvýší napětí v oblastech s nízkou vodivostí a sníží ho v oblastech s vysokou vodivostí, čímž chrání hrot před poškozením proudem. Následně je ukázáno využití KPFM při studiu vlivu elektronové expozice na elektrické vlastnosti zařízení založených na nanotrubicích. Pomocí KPFM byl vizualizován zachycený náboj v podkladovém substrátu a bylo potvrzeno, že právě tento náboj způsobil změnu odporu nanotrubic po ozáření elektrony. Dále je představen jednoduchý elektrostatický model, který umožňuje kvantitativní odhad množství zachyceného náboje přímo z KPFM obrazů. Práce se věnuje i dalším aplikacím, včetně vizualizace hranic zrn v grafenu pomocí KPFM a CAFM, analýzy interakce grafen–substrát pomocí KPFM a detekce hranic zrn a chirálních čar na WS2 nanotrubicích pomocí KPFM.

This doctoral thesis focuses on exploring the possibilities of using techniques based on Atomic Force Microscopy (AFM), namely Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) and Conductive AFM (CAFM), for electrical characterization of nanoscale materials. The most significant work was done on characterization of electrical properties of dislocations in AlGaN/GaN. The main results are following: CAFM characterization of dislocations in GaN and AlGaN was optimized to provide reliable data for further correlation with different techniques. The correlation with electron channeling contrast imaging is shown. The measurement on AlGaN required careful sample and tip cleaning by multiple cycles of oxygen and etching treatments to reach stable and reliable measurement. Without the cleaning procedure, the tip conductivity was quickly lost. Therefore, additional surface-sensitive chemical analysis was performed to better understand the processes occurring on the GaN surface. Additionally, a modification of the CAFM technique that operates at constant current (cc-CAFM) was developed, further improving the stability of the measurement. Moreover, the cc-CAFM allows to easily visualize all conductive dislocations irrespective of their threshold voltage, increasing bias at low-conductivity areas and decresing the bias at high-coductivity areas to protect the tip from current-induced damage. Next, the application of KPFM is shown in a study on how electron irradiation changes the electrical properties of nanotube devices. KPFM was used to visualize the trapped charge in the underlying substrate and confirm that this trapped charge was the cause of the change in the resistance of the nanotubes after electron irradiation. Moreover, a simple electrostatic model that allows quantitative estimation of the amount of trapped charge directly from KPFM images is presented. This thesis also tackles other applications that include visualization of grain boundaries on graphene by KPFM and CAFM, analysis of the graphene-substrate interaction by KPFM and detection of grain boundaries and chiral lines on a WS2 nanotubes by KPFM.