文摘

ultra-thin-film设备的先进制造业,尤其是nano-semiconductor产品,引起了一个重要的研究兴趣在过去几十年。在这个领域,监控半导体的性质和厚度层是至关重要的,对设备质量产生重大影响。在这项研究中,制造业的原位监测方案nanodevices已经提出,这是能够准确地分析半导体的光学吸收特性在nanodevices不同厚度的层。的原位反射率光谱分析单层,双层,体相样品确认监控方案的实用性和可靠性。这个研究报告的调查结果形成先进纳米制造的基础,在未来sub-nanodevices。

1。介绍

吸引了大量的先进制造技术近年来,包括智能传感、人工智能、先进的监测、和其他智能信息技术(1- - - - - -6]。由于先进制造业的重要作用,许多研究人员试图利用的机会过去几十年生产微和nanodevices自2004年发现石墨烯(7- - - - - -10]。尤其是nanodevices基于二维(2 d)材料由于其具有非凡的性质引起了极大关注,成为研究的重点领域的nanodevice制造(11- - - - - -16]。nanodevices考虑材料结构、组成的混合动力系统2 d和有机半导体薄膜引发了新的研究方向17- - - - - -21),结合2 d和有机材料的优点(22- - - - - -24)被广泛认为是有前途的未来发展小说nanodevices。近年来,由范德瓦耳斯就是secu * tanu减去vdW()的结构与控制层外延生长有机半导体薄膜的二维材料表面已成为主要研究亮点之一,随着nanodevices基于这种结构的属性和性能有效地与有机层的厚度25- - - - - -28]。因此,为了满足设备功能和提高生产质量,监控计划,这是能够分析不同厚度薄膜的光学性质,是至关重要的先进制造纳米sub-nanodevices,尤其是设备基于2 d /有机薄膜的结构上面提到的。

在这篇文章中,一个原位反射率光谱监测方案microarea微分反射光谱提出了制造业nano-thin-film设备,这是能够识别和分析的光学吸收特性超薄电影在单层水平。微分反射光谱(DRS)是一个强大的工具来研究的光学吸收特性薄和超薄电影,衡量一个规范化的相对变化的反射表面,和各自的反射光的强度裸露基质的吸附物和随后[相比29日]。DRS可以被定义为(30.- - - - - -32] 在哪里 代表了来自清洁衬底反射光子能量 和 代表的反射区域的电影。干净的表面反射的光线的强度和示例电影捐赠 和 ,分别用于计算DRS的价值。由于其高光谱分辨率,DRS技术已成功申请的原位调查有机半导体的光学吸收性质和2 d过渡金属dichalcogenide (TMD)薄膜33- - - - - -38]。DRS的光谱分辨率和测量灵敏度单层甚至sub-monolayer已报道的研究水平。2 d /有机结构上面所提到的,是随机的千分尺规模由于机械剥落了2 d材料的尺寸(39- - - - - -41),光谱监测方案不仅要具备高厚度决议还允许微尺度的探测范围的选择想要的形状。因此,DRS装置能够选择任何尺寸的测量区域和在任何位置提出了这里。为了实现microarea单层的高分辨率,高辐照强度氙气灯源和一个大井深科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)探测器组合已经获得高信噪比。此外,基于sCMOS相机采集的信号,测量区域的形状和位置可以任意选择领域的观点。特别是,甚至可以选择一个像素的测量区域。此外,就是secu * tanu减去vdW 2 d /有机半导体组成的混合结构的外延dimethyl-3, 4、9日10-perylenetetracarboxilic二酰亚胺(Me-PTCDI)六角氮化硼(h-BN)表面已被选为研究目标。h-BN广泛用作nanodevices基于2 d的衬底材料由于其绝缘(42- - - - - -45),从而发现广泛使用在2 d /有机结构25,26]。苝醌类化合物在有机半导体材料,染料是重要的由于他们的光学和光电特性46- - - - - -50]。苝醌类化合物特别是Me-PTCDI,一个典型的染料分子,被认为是实际生产小说nanodevices由于其特点(51- - - - - -54]。因此,单层、影响和体相h-BN Me-PTCDI薄膜的表面已经被采用microarea DRS调查。此外,峰值展宽等现象,峰定位转变,和峰强度的变化在实验中已经详细讨论。本文获得的结果不仅提供实用信息的制造设备基于h-BN / Me-PTCDI结构也证明了光谱方案能够发现不同层次的结构,这是强调监测方案的潜力的nano——sub-nanodevices先进制造业的未来。

2。材料和方法

2.1。样品制备

样品在这个研究包括三个材料从下到上:石英(0001)衬底,h-BN电影,Me-PTCDI电影。样品已经准备通过以下程序:

首先,h-BN薄膜表面准备如下:

步骤1。原始BN材料是一个六角晶体。底部和顶部的十亿散装件夹在两块胶带,大部分是手工随后撕裂。在这个阶段,BN散装的厚度大约一半的原始厚度。

步骤2。步骤1重复几次,直到h-BN薄膜厚度在纳米尺度逐渐获得的。

步骤3。h-BN薄膜转移到表面的光学单晶石英(0001)衬底。

其次,Me-PTCDI电影与不同数量的层增加了范德瓦耳斯h-BN /石英衬底上外延如下(26]:

步骤1。Me-PTCDI粉的容器放置在管式炉的中心,和h-BN /石英衬底放置炉下游在一个合适的距离。

步骤2。管是疏散到103Pa。

步骤3。Me-PTCDI粉加热范围210 - 260°C的升华,导致h-BN表面上的沉积。这个过程一直持续到电影发展已经完成。

通过控制等因素不断增长的持续时间和Me-PTCDI分子和基质之间的距离,不同数量的Me-PTCDI薄膜层获得成功。

光学显微镜、光致发光(PL)图像的一个典型示例如图1。

(一)
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(b)
(b)
(c)
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图1
样本的特征:(a, b)光学显微镜图像;(c) PL形象(比例尺:10μ米)。

光学分析进行了使用光学显微镜(奥林巴斯BX-51)使用20 x物镜,紧随其后的是放大的感兴趣的领域通过使用150 x物镜。光学显微镜图图像1表明样品具有小尺寸范围内的几个微米。的PL属性Me-PTCDI不同厚度的薄膜被领导如图450海里1 (c)。绿色荧光区域代表了电影由单层Me-PTCDI,而红色荧光区域代表了电影由多个层Me-PTCDI [26]。

图1表明,这是不可避免的,Me-PTCDI电影h-BN表面沉积在这种microsize地区保持一致。这机械剥落h-BN电影不仅小,而且随机大小,形状和表面质量。此外,有机分子的沉积率在不同地区是不一样的。因此,microarea DRS系统选择任何尺寸的测量区域的能力,在任何位置是必需的。

2.2。实验装置

DRS系统的示意图说明本文呈现在图2。给出实验系统的简要介绍如下。


图2
实验系统的原理说明。

为了覆盖范围的有机分子的特征峰,这总是在可见光波长乐队,75 W超级安静氙灯(滨松)作为光源。光纤耦合器是灯和光纤之间的利用避免强度尽可能多的损失。单色(SP2150普林斯顿仪器)在500纳米光栅flash已经被用于获得单一波长的光。离轴抛物面镜(养老金、Thorlabs)函数作为准直器。虹膜和50 r / 50 T分束器(b,由Thorlabs)被放置在20 x物镜(尼康CFI 60你计划Epi)。配以高强度的光源,深井微型sCMOS相机(熊猫4.2 PCO)与200毫米管透镜(Edmund)是利用检测器,同时采用自制软件光谱采集和记录。

2.3。测量方法

测量方法包括三个步骤:采集的光谱信号,测量区域的选择,和DRS的计算,详细描述如下。

2.3.1。步骤1:采集的光谱信号

光谱信号采集的步骤见图3。实验参数,包括开始和结束的波长光谱探测距离,一步单色仪的波长,曝光时间,和平均一个收购的时候,根据实验需求设置前测量。的反射光强度信号的波长随后被记录下来。


图3
的流程图描述光谱信号的采集。
2.3.2。步骤2:选择测量的面积

单一波长的反射强度图像导入到计算机通过使用自制软件。随后,图像是用来选择测量区域。例如,550纳米波长的图像是用来选择测量区域,如图4。黑色实心矩形选择的范围的覆盖面积Me-PTCDI电影,和红色虚线矩形的范围被选中作为衬底。例如这里的矩形区域。事实上,选定区域可以是任何形状和大小,甚至单个像素。


图4
的选择实验区域的示例图1。
2.3.3。步骤3:计算DRS

实验的平均反射强度的波长选择区域自动计算通过使用自制软件。之后,每个波长的计算平均强度的样本区域和衬底纳入方程(1), 和 ,分别开展DRS分析。

3所示。实验和讨论

3.1。的吸收特点单层Me-PTCDI电影h-BN表面

样品的光学显微镜和PL形象包括单层Me-PTCDI电影如图5。基于PL Me-PTCDI电影的特点,绿色荧光区域可以被确认为单层,而红色荧光区域代表了区域覆盖着一层以上的Me-PTCDI分子。为了分析单层膜的特点,测量样品在室温下使用microarea DRS系统提出了。反射强度的绿色区域代表单层Me-PTCDI h-BN和黑色区域代表利用石英衬底的信号单层薄膜和衬底,分别计算DRS。的吸收h-BN而著称的波长的实验;因此,山峰在图6对应于Me-PTCDI单层的特点。


图5
光学和PL(嵌入)的图像Me-PTCDI电影h-BN表面(比例尺:10μ米)。

图6
在室温下的规范化DRS Me-PTCDI单层。

两座山峰S0-S1过渡的电子振动的水平一直在观察单层的电影。峰观察到2.26 eV而峰位于2.46 eV。两座山峰被观察到的位置一致的特点Me-PTCDI单层膜在报告中(早些时候26]。它证明了microarea DRS系统提出了能够实现在单层级光谱分辨率,即使测量面积非常小,反射的强度相对较弱。

此外,通过比较两个峰的位置与在溶液中单体在室温下(51),它可以观察到两个山峰单层单体的红移。红移的现象表明,第一层Me-PTCDI h-BN衬底上沉积形成J-aggregate组装,已广泛研究了新颖应用(55- - - - - -57]。它表明,结构基于Me-PTCDI单层和h-BN适用于生产sub-nano-thin-film设备。

3.2。h-BN表面Me-PTCDI吸收特性的影响

光学原子力显微镜(AFM)的图像示例如图7。单层膜的测量区域可以确定基于PL形象图7 (b)。根据单层膜的厚度的Me-PTCDI h-BN约为0.3 nm (26),该地区的步骤0.3 nm的单层地区可以确认为影响AFM图像(牛津仪器庇护数字)。此外,DRS单层和影响区域的信号显示在图7 (c)如图8。

(一)
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(b)
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(c)
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图7
的图像Me-PTCDI单层和双层薄膜在室温。(一)光学显微镜图像的样本(比例尺:10μ米)。(b) PL样本的图像。(c)的AFM图像白色虚线广场地区(b)(比例尺:500海里)。

图8
的DRS信号Me-PTCDI单层和双层薄膜图7 (c)在室温下。

它可以观察到,在影响这两个特征峰(峰 2.18 eV和峰值B 2.40 eV)已经略有红移与单层相比,这通常发生在电影发展。然而,吸收异常已经观察到B峰值强度的提高,峰值强度降低,尽管更多的分子存在于双层薄膜。

这一现象可能归因于不同的分子聚集的影响在Me-PTCDI单层和双层薄膜。Me-PTCDI单层电影只包括J-aggregates,由头部到尾部形成表面的分子的取向。它是负的激子的耦合,谱峰的强度主要是由弗仑克尔激子生成(FE)过渡。另一方面,在影响,H-aggregates描绘并排形成的分子取向是指出。是积极分子之间的激子的耦合,从而导致电荷转移(CT)过渡,狭窄的带隙,行为与铁相比更容易实现过渡。因此,轻微的红移的峰值是由于激子的耦合影响。此外,第二层是单层沉积后,越来越多的Me-PTCDI分子增强吸收;然而,生成的交互H-aggregates压制的铁转变发生在单层。此外,山峰在不同的能量位置,两种吸收功能不同。对一些典型的有机薄膜,最低激发态几乎是纯铁激子,而铁之间的混合和CT激子发生在该地区的电子振动的副本在更高的能量位置(51]。

因此,实验结果表明,吸收过渡导致峰值最低,铁的Me-PTCDI单层如此重要的镇压FE过渡导致吸收下降,尽管额外的分子中存在影响。这个DRS观测结果也证实了巨人的振子强度Me-PTCDI单层薄膜在文献[26]。另一方面,峰值B,这是电子振动的峰值的复制品,CT增强吸收生成的影响占主导地位的行为特点,代表两种激子之间的一个平衡。实际上,有趣的现象也被观察和调查3、4、9日10-perylenetetracarboxylic二酐(PTCDA)薄膜31日- - - - - -33),这是非常类似于Me-PTCDI。

实验结果证明microarea DRS方案的性能和可靠性,以及为生产设备,提供见解,单层光电设备基于超薄Me-PTCDI必须在得到相应表现出更好的性能比bilayer-based设备。

3.3。体相的吸收特征Me-PTCDI电影h-BN表面

Me-PTCDI的多层薄膜也被沉积在其他领域的示例图5。结合AFM地形如图9PL的形象图5,目标区域的多层电影可以选择不同的厚度。DRS和规范化DRS地区不同层不同厚度的结果见图6和10 nm10。


图9
AFM图像的单层和多层Me-PTCDI电影h-BN图5(酒吧规模:2μ米)。
(一)
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(b)
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图10
DRS Me-PTCDI电影的不同厚度h-BN: (a) DRS的电影和单层厚度6和10 nm和(b)的规范化DRS单层和10 nm的电影。

DRS信号示例电影与单层(绿色曲线),6 nm(蓝色曲线),10 nm(红色曲线)厚度图所示10 ()。比较不同厚度的曲线,很明显,电影随厚度的吸收由于一个增强的可用性程度的分子吸收光子。

如图10 (),两个特征峰(峰的位置 2.10 eV和峰值B 2.48 eV) 6和10 nm的电影几乎是相同的,表现出独立的膜厚度。因此,这样的电影可以被视为体相的电影。

分析单层之间的差异和体相电影更有效,单层和10 nm的规范化DRS电影如图10 (b)。峰展宽的有趣的现象和峰值在以下描述的转变。

通过比较体相的峰宽与单层膜,扩大现象明显曾被观察到。单层膜的峰值的病例观察到,大多归因于铁,结果在狭窄的山峰,在各层之间的耦合体相电影有助于不同的激子(如铁、CT、和FE-CT)与不同的能源地位,从而导致峰展宽。此外,激子与声子之间的散射厚电影在室温下也会导致峰展宽。

此外,有趣的是,“红移”已从峰值的单层体相,而峰值B蓝移。很可能由于衬底的影响描述如下。

在单层膜, - - - - - - 共轭分子间形成并不是由于分子J-aggregates在体相J-aggregates和H-aggregates组成的电影 - - - - - - 债券可以在相邻层之间形成的分子。它会导致电子耦合,从而导致库仑势的分子已经降低了。因此,多层膜的特征峰必须移动到较低的能量位置以防独自分子之间的交互功能。

然而,h-BN之间的库仑势和Me-PTCDI不同于之间的库仑能Me-PTCDI分子,同时也影响了激子的过渡。一般报道,初始层(特别是第一层)的有机薄膜衬底的影响显著,而减少的影响在随后的分子层。因此,电影往往会逐渐变得稳定,形成体相(33- - - - - -37]。

因此,单层的峰值变化大部分晶体的结合上面提到的两种不同的库仑能交互。对不同峰转变现象,很可能h-BN衬底之间的交互和Me-PTCDI有助于定位单层较低能量的峰值位置,但影响程度的衬底上的两个特征峰是不同的。最低的退出过渡(峰值和峰值 ),h-BN衬底的影响是低于Me-PTCDI分子层的影响;因此,一直红移峰一峰值 从单层体相,而最低的电子振动的副本(峰值和峰值B的过渡 ),衬底的影响比分子的影响更显著,B在单层峰值位于一个相当低能正电子相比峰值B 散装晶体,从而导致蓝移现象。

实验结果表明,microarea DRS方案实际sub-nano——和纳米级。同时,生产设备的重要信息是显示基质影响性能的超薄电影设备显然和设备基于大量晶体Me-PTCDI必须功能不同而设备基于单层的电影。

4所示。结论

在这篇文章中,一个原位microarea DRS方案已经应用于研究吸收属性的依赖Me-PTCDI电影h-BN表面的厚度,这是一个典型的结构中包含nanodevices。这一研究获得的实验结果证明该方案的成功应用到单层级。

单层的光学性能、影响和体相的Me-PTCDI电影利用microarea DRS h-BN表面进行了分析。几个有趣的现象和Me-PTCDI / h-BN结构的关键属性显示。这是证明了超薄Me-PTCDI电影h-BN sub-nanophotoelectric设备可以利用。特别是,单层器件的性能被指出是由于其优越更大的吸收。此外,单层器件的衬底材料也至关重要因为它对单层吸收产生重大影响。此外,将批量生产的设备阶段Me-PTCDI电影h-BN在纳米尺度上,基于吸收性能属性可以提高通过增加膜厚度,将函数在不同特征波长与更广泛的乐队相比单层设备。

这个研究报告的调查结果证明microarea DRS方案能够检测和分析超薄薄膜的厚度和光学性质在nano -和sub-nanodevices。该计划是实际的和潜在的提升将来nano-thin-film的先进制造设备。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2017号yff0107003)。感谢赵Huijuan博士是由于样品的帮助,由于是由于张鸿祥博士在实验讨论的帮助。