Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле

Представлены результаты исследования атомно-силовой микроскопии изображений кристаллического SnTe, конденсированного на подложки ситалла. Впервые для анализа полученных результатов последовательно использованы двумерные прямое и обратное по интенсивным частотам преобразования Фурье. Установлена скры...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Салий, Я.П., Бушков, Н.И., Былина, И.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2017
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Динамика кристаллической решетки
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175179
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле / Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 9. — С. 1363-1367. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-175179
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1751792021-02-01T01:26:16Z Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле Салий, Я.П. Бушков, Н.И. Былина, И.С. Динамика кристаллической решетки Представлены результаты исследования атомно-силовой микроскопии изображений кристаллического SnTe, конденсированного на подложки ситалла. Впервые для анализа полученных результатов последовательно использованы двумерные прямое и обратное по интенсивным частотам преобразования Фурье. Установлена скрытая периодичность в расположении объектов на поверхности пленки, которая подтверждается двумерной автокорреляционной функцией изображения. К распределению азимутального угла вектора нормали к поверхности применено одномерное преобразование Фурье. Установлено, что поверхность конденсата имеет неизменный набор элементов симметрии, хотя размеры поверхностных объектов монотонно зависят от времени осаждения. Выполнена аппроксимация распределения полярного угла вектора нормали единственной одномодальной функцией, форма которой не зависит от времени осаждения. Подано результати дослідження атомно-силової мікроскопії зображень кристалічного SnTe, конденсованого на підкладки із ситалу. Вперше до аналізу одержаних результатів послідовно використано двовимірні пряме та обернене за інтенсивними частотами перетворення Фур’є. Виявлено приховану періодичність у розташуванні об’єктів на поверхні плівки, яку підтверджено двовимірною автокореляційною функцією зображення. До розподілу азимутального кута вектора нормалі до поверхні застосовано одновимірне перетворення Фур’є. Встановлено, що поверхня конденсату має незмінний набір елементів симетрії, хоча розміри поверхневих об’єктів монотонно залежать від часу осадження. Виконано апроксимацію розподілу полярного кута вектора нормалі єдиною одномодальною функцією, форма якої не залежить від часу осадження. This is a study of atomic force microscope images of crystalline SnTe condensed on a ceramic glass (sitall) substrate. For the first time, two-dimensional forward and reverse Fourier transforms over the intense frequencies are used sequentially to analyze the data. A hidden periodicity in the position of objects on the surface of the film is discovered and confirmed by the two-dimensional autocorrelation function of the image. The one-dimensional Fourier transform is applied to the distribution of the azimuthal angle of the normal vector to the surface. It is found that the condensate surface has an invariant set of symmetry elements, although the dimensions of the surface objects depend monotonically on the deposition time. An approximation is obtained for the distribution of the polar angle of the normal vector using a unique single-mode function whose form is independent of the deposition time. 2017 Article Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле / Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 9. — С. 1363-1367. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 61.05.–a http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175179 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Динамика кристаллической решетки Динамика кристаллической решетки
spellingShingle	Динамика кристаллической решетки Динамика кристаллической решетки Салий, Я.П. Бушков, Н.И. Былина, И.С. Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле Физика низких температур
description	Представлены результаты исследования атомно-силовой микроскопии изображений кристаллического SnTe, конденсированного на подложки ситалла. Впервые для анализа полученных результатов последовательно использованы двумерные прямое и обратное по интенсивным частотам преобразования Фурье. Установлена скрытая периодичность в расположении объектов на поверхности пленки, которая подтверждается двумерной автокорреляционной функцией изображения. К распределению азимутального угла вектора нормали к поверхности применено одномерное преобразование Фурье. Установлено, что поверхность конденсата имеет неизменный набор элементов симметрии, хотя размеры поверхностных объектов монотонно зависят от времени осаждения. Выполнена аппроксимация распределения полярного угла вектора нормали единственной одномодальной функцией, форма которой не зависит от времени осаждения.
format	Article
author	Салий, Я.П. Бушков, Н.И. Былина, И.С.
author_facet	Салий, Я.П. Бушков, Н.И. Былина, И.С.
author_sort	Салий, Я.П.
title	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле
title_short	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле
title_full	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле
title_fullStr	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле
title_full_unstemmed	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле
title_sort	решетки поверхностных нанокластеров snte на ситалле
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Динамика кристаллической решетки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175179
citation_txt	Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле / Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 9. — С. 1363-1367. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT salijâp rešetkipoverhnostnyhnanoklasterovsntenasitalle AT buškovni rešetkipoverhnostnyhnanoklasterovsntenasitalle AT bylinais rešetkipoverhnostnyhnanoklasterovsntenasitalle
first_indexed	2025-07-15T12:24:09Z
last_indexed	2025-07-15T12:24:09Z
_version_	1837715697595056128
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 9, c. 1363–1367 Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина Прикарпатский национальный университет им. Василя Стефаника ул. Шевченко, 57, г. Ивано-Франковск, 76018, Украина E-mail: bushkovnazar@gmail.com Статья поступила в редакцию 3 октября 2016 г., после переработки 19 ноября 2016 г., опубликована онлайн 25 июля 2017 г. Представлены результаты исследования атомно-силовой микроскопии изображений кристаллического SnTe, конденсированного на подложки ситалла. Впервые для анализа полученных результатов последова- тельно использованы двумерные прямое и обратное по интенсивным частотам преобразования Фурье. Ус- тановлена скрытая периодичность в расположении объектов на поверхности пленки, которая подтвержда- ется двумерной автокорреляционной функцией изображения. К распределению азимутального угла вектора нормали к поверхности применено одномерное преобразование Фурье. Установлено, что поверхность кон- денсата имеет неизменный набор элементов симметрии, хотя размеры поверхностных объектов монотонно зависят от времени осаждения. Выполнена аппроксимация распределения полярного угла вектора нормали единственной одномодальной функцией, форма которой не зависит от времени осаждения. Подано результати дослідження атомно-силової мікроскопії зображень кристалічного SnTe, конденсова- ного на підкладки із ситалу. Вперше до аналізу одержаних результатів послідовно використано двовимірні пряме та обернене за інтенсивними частотами перетворення Фур’є. Виявлено приховану періодичність у розташуванні об’єктів на поверхні плівки, яку підтверджено двовимірною автокореляційною функцією зоб- раження. До розподілу азимутального кута вектора нормалі до поверхні застосовано одновимірне перетво- рення Фур’є. Встановлено, що поверхня конденсату має незмінний набір елементів симетрії, хоча розміри поверхневих об’єктів монотонно залежать від часу осадження. Виконано апроксимацію розподілу полярно- го кута вектора нормалі єдиною одномодальною функцією, форма якої не залежить від часу осадження. PACS: 61.05.–a Методы определения структуры. Ключевые слова: SnTe, АСМ изображения, преобразование Фурье, автокорреляционная функция, скры- тая периодичность. 1. Введение Узкощелевые полупроводники группы IV–VI явля- ются материалами, уникальными по своим физическим свойствам, они занимают важное место в устройствах оптики и термоэлектричества [1]. Данные полупровод- ники зарекомендовали себя как наноструктуры с кванто- выми точками, и представляют интерес для использова- ния в фотоэлектрических преобразователях, термоге- нераторах, светодиодных и лазерных структурах инфра- красного излучения. Более того, при определенных условиях полупроводники данного класса могут прояв- лять свойства топологического изолятора. В частности, SnTe является базовым для термоэлектрических преоб- разователей, функционирующих в интервале температур 500–850 К [2]. Часто периодические поверхностные структуры формируют методами литографии, используя селективное травление [3–5], контроль геометрических параметров объектов конденсата осуществляют с помо- щью цифровой обработки изображений атомно-силовой микроскопии (АСМ). На данный момент SnTe перспек- тивен как топологический изолятор [7–10], который мо- жет использоваться в микроэлектронике и квантовых компьютерах в качестве носителя информации. Актуальным является вопрос о возможности форми- рования периодических структур на поверхности кон- денсата при осаждении пара в открытом вакууме. Часто кажется, что объекты (зерна, кластеры) на поверхности расположены хаотично, однако преобразование Фурье позволяет выявить скрытую пространственную перио- дичность, которую можно проявить последующей фи- зико-химической обработкой. Автокорреляционная функция изображения также помогает находить повто- © Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина, 2017 Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина ряющиеся участки или определять несущую периодич- ность изображения, скрытую из-за наложений шума и изображений другой периодичности. 2. Методика эксперимента Пленки SnTe выращивали из пара в открытом вакуу- ме на подложках из ситалла при температуре 200 °С со скоростью 6 нм/с при температуре испарителя 600 °С. Высота объектов на поверхности конденсата составляла ~ 30 нм, а их поперечный радиус ~ 80 нм. Для исследования морфологии поверхности приме- няли АСМ Nanoscope IIIa Dimention 3000 (Digital Instruments USA) в режиме периодического контакта. Измерения проводили в центральной части образцов с использованием серийных кремниевых зондов NSG-11 с номинальным радиусом закругления острия до 10 нм. Двумерные преобразования Фурье и автокорреля- ционная функция позволяют установить симметрию и периодичность поверхностных структур исходного изображения. Спектр Фурье идеально подходит для обнаружения в изображении периодических или ква- зипериодических двумерных структур. Наличие тек- стуры легко обнаруживается на спектре в виде состав- ляющих высокой интенсивности. Коэффициенты Фурье S(k,l), образующих двумер- ный частотный спектр изображения s(n, m), определя- ли по формуле прямого преобразования Фурье: ( ) ( ) 2 , , e kn lmj NS k l s n m + − π  = ∑∑ где N — число точек изображения. Двумерную автокорреляционную функцию C(k,l) рассчитывали по формуле ( ) ( ) ( )( )1/2 , , , /C k l s n m s k n l m N= + +∑∑ Программирование выполняли в среде Excel. 3. Результаты исследования Тестирование программ осуществляли на искусст- венно созданных изображениях. На рис. 1 представле- ны расположенные на поверхности объекты, образую- щие квадратную (рис. 1(а)) и гексагональную (рис. 1(б)) решетки, а также объекты, расположенные на поверхно- сти равновероятно (рис. 1(в)). Рядом с изображениями поверхностей на рис. 1 приведены соответствующие им изображения модуля двумерного преобразования Фурье \|S\|. Периодическим структурам соответствуют харак- терные Фурье образы (рис. 1.(а) и (б)). Отметим, что обратное преобразование Фурье приводит к исходному изображению, это указывает на правильность работы оригинальной программы. Изображение модуля дву- мерного преобразования Фурье квадратной или гекса- гональной решеток содержит ось 4 или 6 порядка со- ответственно. Через центр изображения фурье-образов равновероятно расположенных на плоскости объектов проходит ось 1 порядка. Обратное преобразование Фурье видоизмененного образа, у которого оставлены наиболее значимые несу- щие компоненты, выделяет скрытую структуру поверх- ности в исходном изображении. А именно, компоненты, Рис. 1. Прообразы и фурье-образы модельных структур куполообразных объектов одинаковой высоты, расположенных на плоско- сти в узлах квадратной (а) и гексагональной (б) решеток, а также в узлах равновероятно разбросанных по поверхности (в). 1364 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 9 Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле не превышающие, например, 0,7 модуля максимальной амплитуды, исключая постоянную компоненту, прирав- ниваем нулю, и затем выполняем обратное преобразова- ние Фурье. Такой фильтр для квадратной и гексагональ- ной решеток идентичных куполообразных объектов практически не изменил исходные изображения. Однако для равновероятно расположенных объектов (рис. 1 (в)), для которых периодическая структура изначально отсут- ствовала, периодичность также не наблюдали ни на фу- рье-изображении, ни на восстановленном фильтром фу- рье-изображении (рис. 2). Готовую программу применим к реальным АСМ изображениям. На рис. 3(а) приведено типичное АСМ изображение поверхности конденсата SnTe, выращен- ного на ситалле, его двумерный фурье-образ (рис. 3(б)) и изображение, восстановленное по несущим компо- нентам исходного изображения (рис. 3(в)). На рис. 3(б) видно, что основные компоненты фурье-образа указы- вают на почти гексагональное расположение объектов на поверхности, а на восстановленном изображении (рис. 3(в)) наблюдаем периодическую текстуру, обра- зованную практически идентичными объектами. С целью визуализации вклада основных компонент преобразования воспользуемся обратным преобразова- нием Фурье, оставляя только эти несущие компоненты. На рис. 4, который представляет изображения после фурье-фильтра, видны тригональные и тетрагональные пирамиды, расположенные вдоль рядов, пересечения которых образуют решетку, подобную гексагональной. Заметно, что ряды на восстановленных изображениях для пяти образцов (рис. 3,4) по-разному ориентированы относительно краев изображения, а расстояния между рядами в целом растут со временем осаждения. Для усиления утверждения о периодичности распо- ложения объектов на поверхности пленки и гексаго- нальной симметрии решетки применим к изображению двумерную автокорреляционную функцию (рис. 5). Видим наличие периодических рядов объектов. Заме- тим, что хотя ряды по-разному ориентированы, рас- стояние между ними примерно одинаковое для приве- денных времен осаждения. На пленке для времени осаждения 120 с наблюдаем гексагональную решетку, образованную объектами. Представим некоторые статистики, связанные с ло- кальными характеристиками изображения, которые легко вычисляются из трех координат точек поверхно- сти конденсата, предоставленных АСМ. Достаточную информацию о форме поверхностных объектов можно получить, если оперировать с вектором нормали к эле- ментам поверхности. Полярная ось перпендикулярна поверхности сканирования. На рис. 6 приведены типичные распределения зна- чений полярного угла N(ρ) вектора нормали к поверх- Рис. 2. Восстановленное фурье-фильтром изображение рав- новероятно расположенных на плоскости объектов, изобра- женных на рис. 1 (в). Рис. 3. Реальные АСМ изображения поверхности 1 мкм2 конденсата SnTe, выращенного на ситалле, время осаждения 5 с (а); фурье-образ этого изображения, представлены наиболее значимые компоненты (б); изображение после фурье-фильтра (в). Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 9 1365 Я.П. Салий, Н.И. Бушков, И.С. Былина ности пленок. Распределения аппроксимировали удоб- ной для анализа плавной одномодальной функцией вида ( ) max max max exp 1N N α β    ρ α ρ  ρ = −    ρ  β  ρ           В табл. 1 приведены рассчитанные методом наи- меньших квадратов коэффициенты аппроксимации и их среднеквадратичные погрешности. Коэффициенты Nmax и ρmax указывают на положение максимума рас- пределения, а α и β — на его стремительность роста и падения соответственно. 4. Обсуждение результатов С увеличением времени осаждения коэффициенты аппроксимации распределения полярного угла моно- тонно изменяются (табл. 1). Средние значения коэф- фициентов α и β для всех времен осаждения одинаковы и равны 1,5. Число 1,5 попадает в среднее отклонение величины (αβ)1/2 для каждого образца. Чтобы выявить периодичность распределения ази- мутального угла вектора нормали к поверхности плен- ки, применим к распределению одномерное преобра- зование Фурье [6]. Номер гармоники соответствует порядку оси симметрии объектов, а амплитуда гармо- ники вкладу этой оси в симметрию поверхности образ- ца. Зафиксировано преобладание осей порядка 2 и 3. Автокорреляционная функция распределения азиму- тального угла вектора нормали к поверхности пленки также указывает на доминирование оси порядка 2, что согласуется с преобразованием Фурье. Отношение высоты к латеральному диаметру объек- тов составляет 0,1–0,4. Это значение согласуется с наи- более вероятным значением полярного угла ρmax ≈ 7 вектора нормали к поверхности объектов (табл. 1). От- метим, что полярный угол достигает 30°. Очевидно, что объекты формируют решетку на по- верхности конденсата или под влиянием структуры подложки, или собственной самоорганизации. Подлож- ка из ситалла в силу собственной поликристалличности не может задавать ориентацию параллельных рядов объектов конденсата. Следовательно, гексагональная Рис. 4. Изображение поверхности пленок SnTe после амплитудного фильтра Фурье. Время осаждения в секундах: 15 (а), 60 (б), 90 (в), 120 (г). Рис. 5. Двумерные автокорреляционные функции изображе- ний поверхностей пленок SnTe на ситалле, время осаждения в секундах: 90 (а), 120 (б). Рис. 6. Распределение N(ρ) значений полярного угла ρ векто- ра нормали к поверхности пленок SnTe на ситалле, время осаждения в секундах: 5 (а), 60 (б). 1366 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 9 Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле решетка расположения пирамидальных объектов на поверхности подложки из ситалла при конденсации кристаллического SnTe связана с его пространственной группой решетки Fm3m и структурой типа NaCl [11]. При изменении времени осаждения тип решетки не меняется, а ее период увеличивается. Явно выраженная симметрия объектов обусловлена преобладанием мед- ленных процессов миграции над быстрой адсорбцией. 5. Выводы Разработан комплекс программ, использующих дискретные преобразование Фурье и автокорреляци- онную функцию, для определения по АСМ изображе- нию симметрии и периодичности расположения объек- тов на поверхности конденсата. Установлено, что на поверхности конденсата кри- сталлиты SnTe, осажденного на ситалловых подложках, формируют периодические структуры. Расстояние меж- ду параллельными рядами растет со временем осажде- ния. Симметрия поверхностной структуры близка к гек- сагональной. Предлагаем использовать физико-химическую об- работку парофазного конденсата с целью удаления мелкодисперсной составляющей рельефа поверхности для получения периодических структур идентичных объектов. 1. Lead Chalcogenides: Physics and Applications, Vol. 18 of the Book Series: Optoelectronic Properties of Semiconductor and Superlattices, D. Khokhlov (ed.),Taylor & Francis Books, Inc. (2003). 2. В.M. Шперун, Д.M. Фреик, Р.И. Запухляк, Термо- электричество теллурида свинца и его аналогов, Плай, Ивано-Франковск (2000). 3. S.A. Kostyukevych, A.N. Morozovska, V.I. Minko, P.E. Shepeliavyi, A.A. Kudryavtsev, V.M. Rubish, V.V. Rubish, I.V. Tverdokhleb, A.S. Kostiukevych, and S.V. Dyrda, Semicond. Phys. Quantum Electronics & Optoelecronics 7, 472 (2004). 4. В.В. Петров, А.А. Крючин, Неорганическая фотолито- графия, ИМФ НАНУ, Киев (2007). 5. Е.Ф. Венгер, А.В. Мельничук, Фотостимулированные процессы в халькогенидных стеклообразных полупровод- никах и их практическое применение, Академпериодика, Киев (2007). 6. Я.П. Салий, И.И. Чавяк, И.С. Былина, Д.М. Фреик. Ж. нано-электрон. физ. 6, 04020 (2014). 7. Z. Li, S. Shao, N. Li, K. McCall, J. Wang, and S.X. Zhang, Nano Lett. 13, 5443 (2013). 8. J. Shen, Y. Jung, A.S. Disa, Fred J. Walker, Charles H. Ahn, and J.J. Cha, Nano Lett. 14, 4183 (2014). 9. C.H. Yan, H. Guo, J. Wen, Zhi-Dong Zhang, Li-Li Wang, Ke He, Xu-Cun Ma, Shuai-Hua Ji, Xi Chen, and Qi-Kun Xue, Surf. Sci. 621, 104 (2014). 10. M. Saghir, M.R. Lees, S.J. York, and G. Balakrishnan, Cryst. Growth Des. 14, 2009 (2014). 11. А.П. Бахтинов, В.Н. Водопьянов, В.И. Иванов, З.Д. Ковалюк, О.С. Литвин, ФТТ 55, вып. 1 (2013). Grating of surface objects SnTe on the sital Ya.P. Saliy, N.I. Bushkov, and І.S. Bylina Results of the study of AFM images of crystalline SnTe, condensed on the glass-ceramic substrate, are presented. We used a two-dimensional Fourier trans- form sequentially forward and backward on the most intense frequencies for the analysis of the results. The hidden periodicity in the arrangement of objects on the surface of films is established, which is confirmed by a two-dimensional autocorrelation function of the im- age. A one-dimensional Fourier transform is applied to the distribution of the azimuth angle of the vector normal to the surface. It is found that the surface has a constant set of symmetry elements, even though the sizes of the surface objects are monotonically depend- ent on the deposition time. Approximation of the polar angle vector distribution was performed using a nor- mal single one-modal function whose form is inde- pendent on the deposition time. PACS: 61.05–a Techniques for structure determi- nation Keywords: SnTe, ASM-images, Fourier transform, au- tocorrelation function, hidden periodicity. Таблица 1. Коэффициенты аппроксимации распределения полярного угла Время оса- ждения, с Nmax, 100 α ρmax, град β 5 116 ± 1 2,3 ± 0,2 3,4 ± 0,1 1,1 ± 0,1 60 72 ± 1 1,3 ± 0,1 5,3 ± 0,2 1,5 ± 0,2 90 30 ± 1 1,0 ± 0,1 13,6 ± 0,3 2,2 ± 0,2 120 63 ± 1 1,6 ± 0,2 6,4 ± 0,2 1,5 ± 0,2 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 9 1367 http://pubs.acs.org/author/McCall%2C+K http://pubs.acs.org/author/Wang%2C+J http://pubs.acs.org/author/Zhang%2C+S+X http://pubs.acs.org/author/Walker%2C+Fred+J http://pubs.acs.org/author/Ahn%2C+Charles+H http://pubs.acs.org/author/Cha%2C+Judy+J http://pubs.acs.org/author/Balakrishnan%2C+G 1. Введение 2. Методика эксперимента 3. Результаты исследования 4. Обсуждение результатов 5. Выводы

Решетки поверхностных нанокластеров SnTe на ситалле

Репозитарії

Схожі ресурси