Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації
Проаналiзовано умови прояву ефекту самоорганiзацiї при вирощуваннi нанооб’єктiв (типу нанокластерiв або квантових точок) методом молекулярно-променевої епiтаксiї. Показано, що при такому способi вирощування недоцiльно намагатися досягти термодинамiчно-рiвноважних умов, а потрiбно оптимiзувати темпер...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19259 |
| 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: | Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації / Г.П. Гайдар // Доп. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 98-102. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-19259 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-192592011-04-24T12:03:21Z Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації Гайдар, Г.П. Матеріалознавство Проаналiзовано умови прояву ефекту самоорганiзацiї при вирощуваннi нанооб’єктiв (типу нанокластерiв або квантових точок) методом молекулярно-променевої епiтаксiї. Показано, що при такому способi вирощування недоцiльно намагатися досягти термодинамiчно-рiвноважних умов, а потрiбно оптимiзувати температурний режим росту для того, щоб одночасно забезпечити як ефективний прояв процесу самоорганiзацiї, так i запобiгти появi дислокацiй невiдповiдностi на межi твердої та газової фаз. The conditions of the development of self-organization effects under the growth of nanoobjects (of the type of nanoclusters or quantum dots) by the molecular beam epitaxy technique are analyzed. It is shown that, at such a technique, the process should not be directed to approach thermodynamically equilibrium conditions, but it is necessary to optimize the temperature conditions both to prevent the arising of mismatch dislocations and to realize the self-organization effects оn the boundary of the solid and gas phases. 2010 Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації / Г.П. Гайдар // Доп. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 98-102. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19259 621.315.592 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Матеріалознавство Матеріалознавство |
| spellingShingle |
Матеріалознавство Матеріалознавство Гайдар, Г.П. Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації Доповіді НАН України |
| description |
Проаналiзовано умови прояву ефекту самоорганiзацiї при вирощуваннi нанооб’єктiв (типу нанокластерiв або квантових точок) методом молекулярно-променевої епiтаксiї. Показано, що при такому способi вирощування недоцiльно намагатися досягти термодинамiчно-рiвноважних умов, а потрiбно оптимiзувати температурний режим росту для того, щоб одночасно забезпечити як ефективний прояв процесу самоорганiзацiї, так i запобiгти появi дислокацiй невiдповiдностi на межi твердої та газової фаз. |
| author |
Гайдар, Г.П. |
| author_facet |
Гайдар, Г.П. |
| author_sort |
Гайдар, Г.П. |
| title |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| title_short |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| title_full |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| title_fullStr |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| title_full_unstemmed |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| title_sort |
епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19259 |
| citation_txt |
Епітаксійне вирощування нанооб'єктів і умови прояву ефекту самоорганізації / Г.П. Гайдар // Доп. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 98-102. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT gajdargp epítaksíjneviroŝuvannânanoobêktívíumoviproâvuefektusamoorganízacíí |
| first_indexed |
2025-07-02T20:08:21Z |
| last_indexed |
2025-07-02T20:08:21Z |
| _version_ |
1836567129877381120 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
1 • 2010
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 621.315.592
© 2010
Г.П. Гайдар
Епiтаксiйне вирощування нанооб’єктiв i умови прояву
ефекту самоорганiзацiї
(Представлено членом-кореспондентом НАН України I. В. Блонським)
Проаналiзовано умови прояву ефекту самоорганiзацiї при вирощуваннi нанооб’єктiв (ти-
пу нанокластерiв або квантових точок) методом молекулярно-променевої епiтаксiї. По-
казано, що при такому способi вирощування недоцiльно намагатися досягти термоди-
намiчно-рiвноважних умов, а потрiбно оптимiзувати температурний режим росту
для того, щоб одночасно забезпечити як ефективний прояв процесу самоорганiзацiї, так
i запобiгти появi дислокацiй невiдповiдностi на межi твердої та газової фаз.
Починаючи з часу, коли був виявлений ефект самоорганiзацiї в гетероепiтаксiальних сис-
темах при переходi вiд 2D до 3D при епiтаксiйному ростi острiвцiв чи квантових точок
(КТ) [1, 2], i, фактично, до останнього часу увага науковцiв була зосереджена на встанов-
леннi та фiзичному обгрунтуваннi рушiйних сил ефекту самоорганiзацiї.
З появою робiт [3–6] до середини 2000 р. отримано переконливi докази того, що рушiй-
ною силою ефекту самоорганiзацiї є внутрiшнi механiчнi напруження (ВМН), якi виника-
ють в макроскопiчному масштабi на межi двох напiвпровiдникiв внаслiдок невiдповiдностi
сталих їх кристалiчних граток. На атомарному рiвнi (всерединi i в околi КТ) причиною
виникнення ВМН є наявнiсть точкових дефектiв (типу вакансiй i мiжвузловинних атомiв
або їх скупчень) у контактуючих кристалах.
Успiх науковцiв у вирiшеннi питання про рушiйну силу ефекту самоорганiзацiї тимчасо-
во дозволив їм зосередитися на розв’язаннi не менш важливої задачi — розробки технологiй
пiдготовки пiдкладинки для запобiгання виникнення на межi з нею точкових i протяжних
дефектiв (типу дислокацiй), якi потiм могли б проростати у вирощувану структуру, iстотно
знижуючи її якiсть.
Саме у зв’язку з цим протягом 2-х десятилiть (починаючи приблизно з 1989 р. [7] i до
наших днiв [8]) розробляються i вдосконалюються досить складнi (i навiть багатоступеневi)
методи пiдготовки Si-пiдкладинки до епiтаксiйного напилення на неї атомiв Ge у високому
вакуумi, якi не виключають i її високотемпературного прогрiву (при 1370–1520 К протягом
3 хв) з подальшим вiдносно плавним (∼ 10 град/хв) охолодженням.
98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №1
Не бажаючи миритися з 20%-ним розкидом за розмiром острiвцiв Ge (нанокластерiв),
автори роботи [9] запропонували отримувати наноострiвцi Ge при iмпульсному опромiнен-
нi кремнiєвої пiдкладинки Si (100) низькоенергетичними (E ∼ 50 ÷ 250 еВ) iонами Ge+
у процесi молекулярно-променевої епiтаксiї (МПЕ). Iмпульсне опромiнення [9] протягом
τ = 0,5 с проводилося в кiнцi напилення кожного моношару (МШ) при Tпiдкл = 570÷670 К.
У кожному з експериментiв загальна кiлькiсть шарiв у системi була однаковою i станови-
ла 5 МШ. Морфологiя поверхнi дослiджувалася ex situ методом скануючої тунельної мi-
кроскопiї (СТМ). Проводилися експерименти двох типiв: а) звичайна МПЕ Ge на Si (100)
з густиною молекулярного потоку 7 · 1013 см2 · с1 при Tпiдкл = 620 К та б) МПЕ з iм-
пульсним опромiненням пiдкладинки (при тiй же Tпiдкл = 620 К) iонами Ge+ з енергiєю
iонiв E = 140 еВ, τ = 0,5 с та густиною iонного потоку ∼ 3,1 · 1013 см2 · с1.
При цьому було показано наступне.
При вказаних вище значеннях iнтегрального iонного потоку Ge+ вiдбувається змен-
шення середнього розмiру 3D-острiвцiв Ge, збiльшення їх густини i зменшення розкиду за
розмiром порiвняно зi звичайною МПЕ, що автори роботи [9] пов’язують iз синхронiзацiєю
зародження 3D-острiвцiв при iмпульсному iонному опромiненнi.
Запропонована в [9] модель пояснює спостережуванi на дослiдi процеси тим, що в мiсцях
зiткнення iонiв з поверхнею виникають центри переважного зародження 3D-острiвцiв. Цими
центрами є областi локального розтягу кристалiчної гратки, що виникають на поверхнi
над кластерами мiжвузловинних атомiв, введених iонним опромiненням. Адже в областях
локального розтягу кристалiчної гратки енергiя зв’язку адатомiв з поверхнею зростає, що
i приводить до зародження у цих мiсцях 3D-острiвцiв.
Зiставлення дослiдних даних з результатами модельних розрахункiв привело авторiв [9]
до висновку, що основний внесок у збiльшення поверхневої густини 3D-острiвцiв дають
нанокластери мiжвузловинних атомiв, оскiльки вакансiї, на вiдмiну вiд мiжвузловинних
атомiв, практично зразу виходять на поверхню вирощуваного шару i там анiгiлюють, не
впливаючи нi на ефективнiсть, нi на основнi характеристики 2D → 3D-переходу.
На фонi досягнутих у [9] результатiв самi картини просторового розмiщення наноострiв-
цiв у площинi пiдкладинки виглядали так, наче це розмiщення 3D-острiвцiв Ge на поверхнi
Si (100) нiякого вiдношення до ефекту самоорганiзацiї не мало. Оскiльки це зауваження,
фактично, рiвною мiрою стосується iнших робiт (навiть останнього часу), виникає потреба
у з’ясуваннi можливих причин ситуацiї, коли ефект самоорганiзацiї виявляється неспромо-
жним забезпечити геометрично правильне взаємне розташування 3D-острiвцiв у площинi
пiдкладинки, яка i пiсля реалiзацiї 2D → 3D-переходу продовжує нарощуватися (в конкре-
тному випадку роботи [9] — до товщини 5 МШ) у характерному для неї 2D-виглядi.
Використаємо вiдому з лiтератури аналогiю i розглянемо (услiд за авторами [10, 11])
вiльний вiд неоднорiдностей у розподiлi речовини i механiчних напружень приклад з гiдро-
динамiки, коли за певних умов вiдбувається якiсна змiна форми руху речовини у тонкому
шарi рiдини (наприклад, води, що знаходиться мiж верхньою i нижньою скляними пла-
стинами 1 i 2, рис. 1, а). Автори [10] запропонували розглядати теплову конвекцiю рiдини
як прототип явища самоорганiзацiї у фiзицi. Уявiмо тонкий шар води мiж двома гори-
зонтальними паралельними площинами 1 i 2 (рис. 1, а), латеральнi розмiри яких значно
перевищують товщину шару. При T1 = T2 6= 0 (∆T = T2−T1 = 0) система буде знаходитися
у термодинамiчно-рiвноважному станi i молекули води братимуть участь лише в хаотично-
му русi. Пiдiгрiваючи шар води знизу T2 > T1 (тобто, накладаючи на систему так зване
зовнiшнє обмеження), ми не даємо можливостi системi досягти рiвноваги.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №1 99
Рис. 1. Схематичне зображення руху речовини в комiрках Бенара: а, б, в — пiсля того, як вiдхилення вiд
термодинамiчної рiвноваги досягло критичного значення ∆T = T2−T1 > ∆Tc; г — поява (у точцi бiфуркацiї)
двох розв’язкiв задачi i структурування шару рiдини при досягненнi критичного значення ∆Tc (або вище
межi нестiйкостi теплової конвекцiї). Залежно вiд конкретних умов (тих чи iнших незначних збурень, якi
домiнують у момент проведення експерименту) дана просторова область може виявитися частиною комiрки
з лiвою (L) або правою (R) орiєнтацiєю обертання
Припустимо спочатку, що ∆T = T2 − T1 незначне за величиною. У системi при цьому
встановиться процес переносу тепла вiд нижньої площини до верхньої, а вiд неї — в оточую-
че середовище, забезпечуючи незмiннiсть T1 = const i незмiннiсть теплового потоку (знизу
вгору). Вiдхиляючи систему вiд рiвноваги все далi (шляхом пiдвищення T2), при деякому
критичному значеннi ∆T = ∆Tс, об’єм речовини мiж пластинами 1 i 2 раптово прихо-
дить у направлений рух. Наскiльки цей рух незвичайний i складний, видно з рис. 1, а, б,
в. Увесь шар рiдини стає структурованим, “розпадаючись” на так званi комiрки Бенара,
причому рух рiдини у сусiднiх комiрках вiдбувається у протилежних напрямках: за годин-
никовою стрiлкою (R) та проти неї (L). Заслуговує на увагу далекодiючий характер такого
“розпаду” шару речовини на комiрки в структурованому шарi i короткодiючий характер
мiжмолекулярних сил. Дiйсно, розмiр комiрок Бенара у звичайних лабораторних умовах
знаходиться у мiлiметровому дiапазонi (∼ 10−1 см), у той час як просторовий масштаб
мiжмолекулярних взаємодiй припадає на ангстремний дiапазон (∼ 10−8 cм).
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №1
Отже, окрема комiрка Бенара мiстить у собi близько (107)3 ∼ 1021 молекул. I саме той
факт, що така велика кiлькiсть молекул проявляє когерентну поведiнку (беручи участь
у корельованому русi), незважаючи на випадковий (тепловий) рух кожної iз частинок, є од-
нiєю iз основних властивостей складної поведiнки величезного ансамблю молекул у комiрцi
Бенара. Зазначимо, що за одних i тих же умов навiть незначне перевищення критичного
значення ∆Tc завжди i неминуче приводить до виникнення конвективної ситуацiї. З iншого
боку, як видно з рис. 1, шар рiдини структурується в комiрки, у яких напрям руху (R або L)
регулярно чергується. При цьому не можна наперед передбачити первинний розподiл на-
прямку руху в комiрках, який надалi зберiгатиметься. Отже, далеко вiд рiвноваги, тобто
при значному обмеженнi ступенiв вiльностi, система може пристосовуватися до iснуючого
оточення декiлькома рiзними способами. Iншими словами, за одних i тих же значень пара-
метрiв можливими виявляються декiлька рiзних розв’язкiв. Тобто, при досягненнi значен-
ня ∆Tc система потрапляє в область бiфуркацiї (рис. 1, г), де замiсть одного з’являються
два абсолютно рiвноправнi розв’язки. Ось чому автори роботи [11] вважають, що силь-
но нерiвноважнi незворотнi процеси можуть бути джерелом когерентностi, тобто умовою
утворення множини типiв структурованої колективної поведiнки, а сильно нерiвноважнi
зв’язки є неодмiнною умовою самоорганiзацiї.
Наведений приклад про тiсний зв’язок ефекту самоорганiзацiї з нерiвноважнiстю систе-
ми (тобто необхiднiстю її iстотного вiдхилення вiд термодинамiчної рiвноваги) дає пiдстави,
повертаючись до розгляду технологiї вирощування нанооб’єктiв у виглядi наноострiвцiв чи
КТ, поставити пiд сумнiв доцiльнiсть безоглядного прагнення знизити Tпiдкл з метою за-
побiгання можливої генерацiї дислокацiй невiдповiдностi та iнших дефектiв на межi пiд-
кладинка — нарощуваний шар. Адже це вiдхиляє процес росту в напрямку його наближе-
ння до бiльш рiвноважних умов i, як наслiдок, погiршує (якщо не виключає) можливiсть
прояву ефекту самоорганiзацiї. Тому технологам, якi мрiють отримати за рахунок пере-
ходу 2D → 3D наноострiвцi чи КТ з малим розкидом за розмiрами i формою та пiдви-
щеною густиною (в розрахунку на одиницю поверхнi епiтаксiйно нарощуваного шару) при
збереженнi геометричного упорядкування в розмiщеннi на поверхнi (чи в об’ємi), природа
залишає єдине — шлях оптимiзацiї умов вирощування. Цi умови мають бути досить близь-
кими до рiвноважних (для запобiгання генерацiї дефектiв на межi пiдкладинка — шар) i,
в той же час, досить вiддаленими вiд умов термодинамiчної рiвноваги (для добре вираже-
ного прояву ефекту самоорганiзацiї).
Звичайно, розглянутий нами приклад прояву ефекту самоорганiзацiї з гiдродинамiки не
може бути механiчно перенесеним на процеси напiвпровiдникової МПЕ, коли тверда фаза,
що знаходиться у контактi з газовою, характеризується наявнiстю внутрiшнiх механiчних
напружень i точкових (або протяжних) дефектiв. Але це технiчнi труднощi, якi доведеться
долати, якщо ми хочемо отримувати тотожнi нанокластери (чи КТ).
1. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полу-
проводников. – 1998. – 32, вып. 1. – С. 3–18.
2. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А. и др. Гетероструктуры с квантовыми точками: получе-
ние, свойства, лазеры // Там же. – Вып. 4. – С. 385–410.
3. Grundmann M., Stier O., Bimberg D. InAs/GaAs pyramidal quantum dots: Strain distribution, optical
phonons and electronic structure // Phys. Rev. B. – 1995. – 52, No 16. – P. 11969. – 11981.
4. Ledentsov N.N., Grundmann M., Kirstaedter N. et al. Ordered arrays of quantum dots: Formation,
electronic spectra, relaxation phenomena, lasing // Solid-State Electronics. – 1996. – 40, No 1–8. –
P. 785–798.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №1 101
5. Shchukin V.A., Bimberg D. Spontaneous ordering of nanostructures on crystal surfaces // Reviews of
Modern Physics. – 1999. – 71, No 4. – P. 1125–1171.
6. Ненашев А.В., Двуреченский А.В. Пространственное распределение упругих деформаций в стру-
ктурах Ge/Si с квантовыми точками // Журн. эксперим. и теорет. физики. – 2000. – 118, вып. 3. –
С. 570–578.
7. Ламин М.А., Неизвестный И. Г., Палкин А.М. и др. Эпитаксия из молекулярных пучков и свойства
гетеропереходов Ge/GaAs и Ge/Si // Микроэлектроника. – 1989. – 18, вып. 1. – С. 3–8.
8. Баранський П. I., Гайдар Г.П., Литовченко П.Г. Структурна досконалiсть бездислокацiйних неле-
гованих об’ємних монокристалiв Si, призначених для пiдкладинок при епiтаксiйному вирощуваннi
напiвпровiдникових наноструктур // Наук. записки. Фiз.-мат. науки. – Київ: ВД “Києво-Могилян-
ська академiя”. – 2005. – 39. – С. 58–63.
9. Смагина Ж.В., Зиновьев В.А., Ненашев А.В. и др. Самоорганизация наноостровков германия при
импульсном облучении пучком низкоэнергетических ионов в процессе гетероэпитаксии структур
Ge/Si(100) // Журн. эксперим. и теорет. физики. – 2008. – 133, вып. 3. – С. 593–604.
10. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. – Москва: Мир, 1990. – 342 с.
11. Пригожин И., Стингерс И. Время, хаос, квант. – Москва: Прогресс, 1999. – 267 с.
Надiйшло до редакцiї 10.06.2009Iнститут ядерних дослiджень НАН України, Київ
G.P. Gaidar
Epitaxial growing of nanoobjects and conditions of the development of
self-organization effects
The conditions of the development of self-organization effects under the growth of nanoobjects (of
the type of nanoclusters or quantum dots) by the molecular beam epitaxy technique are analyzed. It
is shown that, at such a technique, the process should not be directed to approach thermodynamically
equilibrium conditions, but it is necessary to optimize the temperature conditions both to prevent
the arising of mismatch dislocations and to realize the self-organization effects оn the boundary of
the solid and gas phases.
102 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №1
|