Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов

Представлены результаты серии экспериментальных исследований по выращиванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом химического парового осаждения в открытой проточной системе по механизму «пар—жидкость—кристалл» (ПЖК). В результате выполненных ростовых экспериментов получены ННК кремния со...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Дружинин, А.А., Островский, И.П., Ховерко, Ю.Н., Ничкало, С.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75193
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:	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, С.И. Ничкало // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 925-932. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-75193
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-751932015-01-28T03:03:05Z Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Ничкало, С.И. Представлены результаты серии экспериментальных исследований по выращиванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом химического парового осаждения в открытой проточной системе по механизму «пар—жидкость—кристалл» (ПЖК). В результате выполненных ростовых экспериментов получены ННК кремния со средним диаметром ≅ 100 нм. На основе метода кинетического эксперимента выполнено моделирование аксиального и радиального роста ННК. Кроме того, были определены следующие кинетические параметры роста: эффективное перенасыщение в газовой фазе, кинетический коэффициент кристаллизации и критический диаметр. Показано, что кристаллы диаметром 50—70 нм растут по механизму ПЖК, в то время как кристаллы больших диаметров растут согласно двум механизмам – ПЖК и ПК, что обусловливает формирование более выраженных гетероструктур с кристаллическим ядром и внешней пористой оболочкой. Представлено результати серії експериментальних досліджень з вирощування ниткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного парового осадження у відкритій проточній системі за механізмом «пара—рідина—кристал» (ПРК). У результаті виконаних ростових експериментів одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. На основі методи кінетичного експерименту виконано моделювання аксіяльного і радіяльного росту ННК. Крім того, визначено наступні кінетичні параметри росту: ефективну перенасиченість у газовій фазі, кінетичний коефіцієнт кристалізації та критичний діяметер. Показано, що кристали діяметром 50—70 нм ростуть за ПРК-механізмом, у той час як кристали більших діяметрів ростуть за двома механізмами – ПРК і ПК, що зумовлює утворення більш виражених гетероструктур із внутрішнім ядром та зовнішньою пористою оболонкою. The results of experimental studies of silicon nanowires (NW) grown by the chemical vapour deposition (CVD) method in open system according to ‘vapour—liquid—solid’ (VLS) mechanism are presented. As a result of experiment, the Si NW with an average diameter of ≅ 100 nm are grown. Based on kinetic experiment, a mathematical simulation of the axial and radial silicon NW growth is performed. In addition, the following kinetic parameters are determined: effective supersaturation in a gas phase, kinetic crystallization coefficient, and cut-off diameter. As shown, the 50—70 nm diameter crystals grow according to the VLS mechanism, while the larger-diameter crystals grow according to two mechanisms, VLS and VS, that causes formation of more pronounced heterostructures with inner core and outer porous shell. 2011 Article Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, С.И. Ничкало // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 925-932. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.46.Hk, 68.37.Ps, 68.65.La, 68.70.+w, 81.07.Gf, 81.15.Gh, 85.40.Sz http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75193 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Представлены результаты серии экспериментальных исследований по выращиванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом химического парового осаждения в открытой проточной системе по механизму «пар—жидкость—кристалл» (ПЖК). В результате выполненных ростовых экспериментов получены ННК кремния со средним диаметром ≅ 100 нм. На основе метода кинетического эксперимента выполнено моделирование аксиального и радиального роста ННК. Кроме того, были определены следующие кинетические параметры роста: эффективное перенасыщение в газовой фазе, кинетический коэффициент кристаллизации и критический диаметр. Показано, что кристаллы диаметром 50—70 нм растут по механизму ПЖК, в то время как кристаллы больших диаметров растут согласно двум механизмам – ПЖК и ПК, что обусловливает формирование более выраженных гетероструктур с кристаллическим ядром и внешней пористой оболочкой.
format	Article
author	Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Ничкало, С.И.
spellingShingle	Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Ничкало, С.И. Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Дружинин, А.А. Островский, И.П. Ховерко, Ю.Н. Ничкало, С.И.
author_sort	Дружинин, А.А.
title	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
title_short	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
title_full	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
title_fullStr	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
title_full_unstemmed	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
title_sort	получение кремниевых нитевидных нанокристаллов
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75193
citation_txt	Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов / А.А. Дружинин, И.П. Островский, Ю.Н. Ховерко, С.И. Ничкало // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 925-932. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT družininaa polučeniekremnievyhnitevidnyhnanokristallov AT ostrovskijip polučeniekremnievyhnitevidnyhnanokristallov AT hoverkoûn polučeniekremnievyhnitevidnyhnanokristallov AT ničkalosi polučeniekremnievyhnitevidnyhnanokristallov
first_indexed	2025-07-05T23:29:40Z
last_indexed	2025-07-05T23:29:40Z
_version_	1836851586283864064
fulltext	925 PACS numbers:61.46.Hk, 68.37.Ps,68.65.La,68.70.+w,81.07.Gf,81.15.Gh, 85.40.Sz Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов А. А. Дружинин, И. П. Островский, Ю. Н. Ховерко, С. И. Ничкало Национальный университет «Львовская политехника», ул. С. Бандеры, 12, 79013 Львов, Украина Представлены результаты серии экспериментальных исследований по выращиванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом хи- мического парового осаждения в открытой проточной системе по меха- низму «пар—жидкость—кристалл» (ПЖК). В результате выполненных ростовых экспериментов получены ННК кремния со средним диаметром ≅ 100 нм. На основе метода кинетического эксперимента выполнено моде- лирование аксиального и радиального роста ННК. Кроме того, были опре- делены следующие кинетические параметры роста: эффективное перена- сыщение в газовой фазе, кинетический коэффициент кристаллизации и критический диаметр. Показано, что кристаллы диаметром 50—70 нм растут по механизму ПЖК, в то время как кристаллы больших диаметров растут согласно двум механизмам – ПЖК и ПК, что обусловливает фор- мирование более выраженных гетероструктур с кристаллическим ядром и внешней пористой оболочкой. Представлено результати серії експериментальних досліджень з вирощу- вання ниткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного па- рового осадження у відкритій проточній системі за механізмом «пара— рідина—кристал» (ПРК). У результаті виконаних ростових експериментів одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. На основі методи кінетичного експерименту виконано моделювання аксіяльного і радіяль- ного росту ННК. Крім того, визначено наступні кінетичні параметри рос- ту: ефективну перенасиченість у газовій фазі, кінетичний коефіцієнт кристалізації та критичний діяметер. Показано, що кристали діяметром 50—70 нм ростуть за ПРК-механізмом, у той час як кристали більших ді- яметрів ростуть за двома механізмами – ПРК і ПК, що зумовлює утво- рення більш виражених гетероструктур із внутрішнім ядром та зовніш- ньою пористою оболонкою. The results of experimental studies of silicon nanowires (NW) grown by the chemical vapour deposition (CVD) method in open system according to ‘va- pour—liquid—solid’ (VLS) mechanism are presented. As a result of experi- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 4, сс. 925—932 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 926 А. А. ДРУЖИНИН, И. П. ОСТРОВСКИЙ, Ю. Н. ХОВЕРКО, С. И. НИЧКАЛО ment, the Si NW with an average diameter of ≅ 100 nm are grown. Based on kinetic experiment, a mathematical simulation of the axial and radial silicon NW growth is performed. In addition, the following kinetic parameters are determined: effective supersaturation in a gas phase, kinetic crystallization coefficient, and cut-off diameter. As shown, the 50—70 nm diameter crystals grow according to the VLS mechanism, while the larger-diameter crystals grow according to two mechanisms, VLS and VS, that causes formation of more pronounced heterostructures with inner core and outer porous shell. Ключевые слова: нитевидные нанокристаллы, CVD-метод, ПЖК-меха- низм, открытая система. (Получено 19 ноября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Нитевидные кристаллы Si и твердых растворов Si1−xGex сегодня ши- роко используются для создания сенсоров физических величин (температуры, деформации, давления и т.п.), работающих в широ- ком интервале температур, включая криогенные [1, 2]. Перспек- тивным направлением создания сенсоров является использование полупроводниковых нанометровых нитевидных кристаллов, или нановискеров, кремния для применения в микроэлектронных, оптоэлектронных, аналитических и биомедицинских приборах и наноэлектромеханических системах [3, 4]. Существует много мето- дов выращивания наноструктур, в частности, молекулярно- лучевая эпитаксия, каталитический рост при участии лазера, син- тез из шаблона (фотолитография в сочетании с травлением), выра- щивание из сверхкритической фазы жидкого раствора, лазерная абляция или простое испарение [5—8]. Однако эти методы являются энергозатратными и дорогими. Поэтому для развития нанотехноло- гий немаловажным есть разработка дешевых технологий получе- ния наноструктур Si. Одной из таких технологий является исполь- зование метода химических транспортных реакций [9, 10], который напрямую связан с процессами самоорганизации материи, являет- ся сложным для предсказания и на сегодня недостаточно изучен- ным. Поэтому целью данной работы было изучить особенности ро- ста ансамбля ННК Si методом химической газофазовой эпитаксии в открытой системе и промоделировать кинетику роста процесса осаждения кремния. 2. РОСТОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ Процесс выращивания включает два этапа. Первый этап заключа- ется в образовании капель Si—металл на пластине кремния. На вто- ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 927 ром этапе из капель вырастают нанонити Si. Существует немало ме- тодов формирования Si—метал квантовых точек. Наиболее преци- зионным является нанолитография. Однако данный метод является слишком дорогим. Создание микросхем на основе наноструктур требует поиска новых методов с использованием технологий само- организации. Простейшим методом получения капель Si—металл является термическое осаждение тонкой металлической пленки на кремниевой подложке и подогрева подложки до температуры обра- зования эвтектики Si—метал. На следующем этапе происходит рост нанонитей Si из капель Si—металл. Нанонити кремния выращивали с использованием в качестве инициатора роста золото. В результате на кремниевые подложки ориентации (100) в установке вакуумного распыления (УВР-4) бы- ли нанесены пленки золота разной толщины – от 3 до 10 нм. Ис- следования в АСМ показали, что пленки были однородными по структуре (рис. 1). Средний диаметр капель Si—Au существенно за- висит от толщины напылённой пленки и уменьшается от 100 до 50 нм при уменьшении толщины пленки от 9 до 4 нм [11]. Выращивание ННК кремния выполнялось методом химического парового осаждения (CVD) в открытой проточной системе, подробно описанной в [11]. В качестве реагентов выступали SiCl4 + Н2 и золо- то, которое в виде пленки было предварительно нанесено на крем- ниевую подложку методом термического испарения для дальней- шего нагрева подложки до температуры эвтектики сплава Si—Au и Рис 1. Распределение капель Si—Au с золотой пленкой толщиной 4 нм по- сле нагревания до температуры 600°С. 928 А. А. ДРУЖИНИН, И. П. ОСТРОВСКИЙ, Ю. Н. ХОВЕРКО, С. И. НИЧКАЛО последующей коагуляции золота в нанокапельки, которые, в свою очередь, играют роль инициаторов (катализаторов) роста по меха- низму «пар—жидкость—кристалл» [4]. Рост происходил при следующих условиях: температура 580°С; давление парогазовой смеси ≅ 100 мм рт. ст., длительность ростово- го процесса ≅ 5 мин. В результате выполненных ростовых экспери- ментов получено ННК кремния со средним диаметром 100 нм (рис. 2). 3. АКСИАЛЬНЫЙ РОСТ КРИСТАЛЛОВ На основе метода кинетического эксперимента выполнено модели- рование аксиального и радиального роста ННК [4]. Используя этот метод, можно определить основные кинетические параметры роста кристаллов: скорость роста, кинетический коэффициент кристал- лизации, энергию кристаллизации и т.д. Основные кинетические параметры роста ННК Si исследовались при температуре кристал- лизации Ткр = 870 К согласно методике, описанной в [4]. Скорость роста (V) определялась как отношение длины ННК (L) ко времени (t), в течение которого происходил рост. Точность измерения гео- метрических размеров ННК составила ±5 нм. Характерная зависимость скорости роста ННК Si от их диаметра в координатах √V = f(1/d) приведена на рис. 3. Как понятно из рис. 3, с увеличением диаметра кристаллов скорость их роста увеличи- вается. В данном случае скорость аксиального роста ННК Si можно пред- ставить в виде следующего выражения [4]: Рис. 2. Фотография нановискеров Si, выращенных методом CVD. ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 929 2 0 4 пк L V b kT kTd  Δμ Ωα = −       , (1) где Ω – удельный объём атома; αпк – удельная свободная энергия фазовой границы пар—конденсированный пар, значения которых равны 7⋅10 −23 см 3 и 1230 эрг/см 2 [12]; k – постоянная Больцмана; Δμо/kT – пресыщение над плоской поверхностью; d – диаметр ННК; b – кинетический коэффициент кристаллизации. Путем аппроксимации зависимости √V = f(1/d) до пересечения с осью абсцисс находим критический диаметр d ≈ 47 нм. Под крити- ческим диаметром понимаем, что кристаллы с меньшим диамет- ром, чем критический, не могут образовываться при данных усло- виях роста. Далее, решая уравнение (1) в условиях V = 0 и V ≠ 0, находим, что значение перенасыщения над плоской поверхностью Δμ0/kT и кинетический коэффициент кристаллизации b равны 0,162 и 4⋅10 −4 см⋅с−1 соответственно. Полученные значения хорошо согласуются с данными, полученными в работе [4]. 4. РАДИАЛЬНЫЙ РОСТ КРИСТАЛЛОВ Согласно нестационарной теории комбинированного роста нано- вискеров по механизму «пар—жидкость—кристалл» процесс оса- ждения кремния можно описать, учитывая следующие кинетиче- ские процессы [12]: – адсорбция и десорбция на поверхности капли; Рис. 3. Зависимость скорости аксиального роста от диаметра ННК крем- ния. 930 А. А. ДРУЖИНИН, И. П. ОСТРОВСКИЙ, Ю. Н. ХОВЕРКО, С. И. НИЧКАЛО – диффузионный поток в каплю, что есть суммой потоков ча- стиц, адсорбированных непосредственно на боковых стенках и тех, которые мигрировали с поверхности подложки; – послойный рост из жидкого раствора на границе жидкость— кристалл под каплей с учётом конечного размера грани; – рост на неактивированной поверхности подложки. Сложив все составляющие процесса осаждения, получим общее уравнение (2), согласно [12]: π π= π − π ξ + − π + Ω Ω τ Ω Ω 2 2 12 2 2 2 2 ( 1) , eq l l s l s s r C V RR dR V R R R R V dt R (2) де R – радиус капли (полусферической формы); Ωl – объём, кото- рый занимают атомы катализатора и полупроводника в жидкой фа- зе; Ωs – объём атома в твердой фазе; V – скорость осаждения газо- вого потока; rl – расстояние между частицами в газовой фазе; ζ – величина перенасыщения; VL – поток атомов с жидкой фазы в твёрдую; Ceq – равновесная концентрация раствора; R – радиус сбора адатомов. Учитывая вышеопределённое значение перенасыщения, соглас- но уравнению (2) оценено значение скорости радиального роста ННК. Результаты оценок представлено в виде графика на рис. 4. Как можно видеть на рис. 4, скорость радиального утолщения ННК наименьшего диаметра 50—70 нм очень мала, < 2 нм/мин, и практически не зависит от диаметра. В то время как кристаллы большего диаметра испытывают более значительные утолщения по механизму пар—кристалл. То есть, исходя из полученных данных, Рис. 4. Зависимость скорости радиального роста от диаметра ННК крем- ния. ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЕВЫХ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 931 можно прогнозировать геометрические размеры ядра и оболочки кристалла, что имеет практическое значение для создания ради- альных гетероструктур на основе ННК кремния, пригодных для фотоэлектрических применений. 5. ВЫВОДЫ В результате выполненных ростовых экспериментов получено ННК кремния со средним диаметром 100 нм. На основе метода кинетиче- ского эксперимента выполнено моделирование аксиального и ради- ального роста ННК. Для достаточно тонких ННК аксиальный рост можно представить с учетом влияния эффекта Гиббса—Томсона, на основе которого можно заключить следующее: – наличие поликристаллического или дендритного слоя на под- ложке является необходимым условием роста ННК. За счет термо- диффузии атомов кремния с вершин дендритов или поликристал- лов создаётся высокое локальное пересыщение в местах зарожде- ния и дальнейшего роста ННК. – учёт эффекта Гиббса—Томсона дает возможность определить критический диаметр – диаметр, при котором скорость аксиально- го роста ННК в данных условиях равна нулю. Учитывая вышесказанное, были определены следующие кинети- ческие параметры роста: эффективное пересыщение в газовой фазе, кинетический коэффициент кристаллизации и критический диа- метр, которые равны 0,162, 4⋅10 −4 см⋅с−1 и 47 нм соответственно. Установлено, что с увеличением диаметра кристаллов растет ско- рость аксиального и радиального роста. Показано, что кристаллы с диаметром 50—70 нм растут по механизму ПЖК, в то время как кристаллы больших диаметров растут согласно двум механизмам ПЖК и ПК, что обуславливает формирование более выраженных гетероструктур с кристаллическим ядром и внешней пористой обо- лочкой. То есть, исходя из полученных данных, можно прогнози- ровать геометрические размеры ядра и оболочки кристалла, что имеет практическое значение для создания радиальных гетеро- структур на основе ННК кремния, пригодных для фотоэлектриче- ских применений. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. А. Дружинин, И. И. Марьямова, А. П. Кутраков, И. В. Павловский, Датчики и сиcтемы, 7: 17 (2005). 2. А. О. Дружинін, І. П. Островський, Ю. Р. Когут, Сенсорна електроніка та мікросистемні технології, 1: 8 (2007). 3. Jing-Shun Huang, Chieh-Yu Hsiao, Shu-Jia Syu et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 93: 621 (2009). 932 А. А. ДРУЖИНИН, И. П. ОСТРОВСКИЙ, Ю. Н. ХОВЕРКО, С. И. НИЧКАЛО 4. Е. И. Гиваргизов, Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара (Москва: Наука: 1977). 5. C. Y. Lee, T. Y. Tseng, S. Y. Li, and P. Lin, Journal of Science and Engineering, 6: 127 (2003). 6. Y. F. Zhang, Y. H. Tang, N. Wang, D. P. Yu, C. S. Lee, I. Bello, and S. T. Lee, Appl. Phys. Lett., 72: 15 (1998). 7. Y. Wu, R. Fan, and P. Yang, Nano Lett., 2: 83 (2002). 8. C. Deng, W. Sigmon, G. K. Giust, J. C. Wu, and M. N. Wybourne, J. Vac. Sci. Technol., 14: 3 (1996). 9. Y. Zhang, Q. Zhang, N. Wang, Y. Yan, H. Zhou, and J. Zhu, J. Crystal Growth, 226: 185 (2001). 10. А. О. Дружинін, І. П. Островський, Ю. М. Ховерко, С. І. Нічкало, Электро- ника и связь, 2: 56 (2009). 11. А. О. Дружинін, І. П. Островський, Ю. М. Ховерко, С. І. Нічкало, Вісник НУ «Львівська політехніка»: Електроніка, 646: 11 (2009). 12. V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev, G. E. Cirlin et al., Phys. Rev. E, 73: 021603 (2006).

Получение кремниевых нитевидных нанокристаллов

Репозитарії

Схожі ресурси