Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію

Наведено результати експериментальних досліджень з вирощування ниткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного парового осадження (CVD) в закритій бромідній системі та відкритій проточній системі. У результаті одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. Показано, що поперечний розмі...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Дружинін, А.О., Нічкало, С.І., Когут, Ю.Р., Вуйцик, А.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75194
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:	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію / А.О. Дружинін, С.І. Нічкало, Ю.Р. Когут, А.М. Вуйцик // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 933-940. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-75194
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-751942015-01-28T03:02:23Z Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію Дружинін, А.О. Нічкало, С.І. Когут, Ю.Р. Вуйцик, А.М. Наведено результати експериментальних досліджень з вирощування ниткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного парового осадження (CVD) в закритій бромідній системі та відкритій проточній системі. У результаті одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. Показано, що поперечний розмір ННК прямо пропорційно залежить від товщини попередньо напорошеної плівки золота. The results of experimental studies of silicon nanowires (NW) growth by the chemical vapour deposition (CVD) method in the opened and closed bromide systems according to ‘vapour—liquid—solid’ (VLS) mechanism are presented. As a result of experiment, the Si NW with average diameter of ≅ 100 nm are grown. As shown, a cross section of the Si NW is directly proportional to thickness of preliminary-deposited gold film. Представлены результаты экспериментальных исследований по выращиванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом химического парового осаждения (CVD) в закрытой бромидной системе и открытой проточной системе. В результате получены ННК кремния со средним диаметром ≅ 100 нм. Показано, что поперечный размер ННК прямо пропорционально зависит от толщины предварительно напылённой плёнки золота. 2011 Article Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію / А.О. Дружинін, С.І. Нічкало, Ю.Р. Когут, А.М. Вуйцик // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 933-940. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 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/123456789/75194 uk 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	Ukrainian
description	Наведено результати експериментальних досліджень з вирощування ниткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного парового осадження (CVD) в закритій бромідній системі та відкритій проточній системі. У результаті одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. Показано, що поперечний розмір ННК прямо пропорційно залежить від товщини попередньо напорошеної плівки золота.
format	Article
author	Дружинін, А.О. Нічкало, С.І. Когут, Ю.Р. Вуйцик, А.М.
spellingShingle	Дружинін, А.О. Нічкало, С.І. Когут, Ю.Р. Вуйцик, А.М. Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Дружинін, А.О. Нічкало, С.І. Когут, Ю.Р. Вуйцик, А.М.
author_sort	Дружинін, А.О.
title	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
title_short	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
title_full	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
title_fullStr	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
title_full_unstemmed	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
title_sort	аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75194
citation_txt	Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію / А.О. Дружинін, С.І. Нічкало, Ю.Р. Когут, А.М. Вуйцик // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 933-940. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT družinínao analízakínetikirostunanovískerívkremníû AT níčkalosí analízakínetikirostunanovískerívkremníû AT kogutûr analízakínetikirostunanovískerívkremníû AT vujcikam analízakínetikirostunanovískerívkremníû
first_indexed	2025-07-05T23:29:42Z
last_indexed	2025-07-05T23:29:42Z
_version_	1836851588809883648
fulltext	933 PACS numbers:61.46.Hk, 68.37.Ps,68.65.La,68.70.+w,81.07.Gf,81.15.Gh, 85.40.Sz Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію А. О. Дружинін, С. І. Нічкало, Ю. Р. Когут, А. М. Вуйцик Національний університет «Львівська політехніка», вул. С. Бандери, 12, 79013 Львів, Україна Наведено результати експериментальних досліджень з вирощування ни- ткуватих нанокристалів (ННК) кремнію методою хемічного парового оса- дження (CVD) в закритій бромідній системі та відкритій проточній систе- мі. У результаті одержано ННК кремнію з середнім діяметром ≅ 100 нм. Показано, що поперечний розмір ННК прямо пропорційно залежить від товщини попередньо напорошеної плівки золота. The results of experimental studies of silicon nanowires (NW) growth by the chemical vapour deposition (CVD) method in the opened and closed bromide systems according to ‘vapour—liquid—solid’ (VLS) mechanism are presented. As a result of experiment, the Si NW with average diameter of ≅ 100 nm are grown. As shown, a cross section of the Si NW is directly proportional to thickness of preliminary-deposited gold film. Представлены результаты экспериментальных исследований по выращи- ванию нитевидных нанокристаллов (ННК) кремния методом химического парового осаждения (CVD) в закрытой бромидной системе и открытой проточной системе. В результате получены ННК кремния со средним диаметром ≅ 100 нм. Показано, что поперечный размер ННК прямо про- порционально зависит от толщины предварительно напылённой плёнки золота. Ключові слова: ниткуваті нанокристали, CVD-метода, ПРК-механізм, відкрита проточна система. (Отримано 20 листопада 2010 р.) 1. ВСТУП Ниткуваті кристали Si та твердих розчинів Si1−xGex на сьогодні ши- роко використовуються для створення сенсорів фізичних величин Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 4, сс. 933—940 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 934 А. О. ДРУЖИНІН, С. І. НІЧКАЛО, Ю. Р. КОГУТ, А. М. ВУЙЦИК (температури, деформації, тиску тощо) дієздатних у широкому ін- тервалі температур, включаючи кріогенні [1, 2]. Перспективним напрямком створення сенсорів є використання напівпровідникових нанометрових ниткуватих кристалів, або нановіскерів Si для засто- сування у мікроелектронних, оптоелектронних, аналітичних та бі- омедичних приладах та наноелектромеханічних системах, зокрема [3—6]. Існує багато метод вирощування наноструктур, зокрема, молеку- лярно-променева епітаксія, каталітичний ріст за участю лазера, синтеза з шабльону (фотолітографія в поєднанні зі щавленням), ви- рощування з надкритичної фази рідкого розчину, лазерна абляція чи просте випаровування [7, 8]. Проте ці методи є енерговитратни- ми і дорогими. Тому розробка дешевих технологій одержання нано- структур Sі є однією з важливих проблем у розвитку нанотехноло- гій. Однією з таких технологій є використання методи хемічних транспортних реакцій для одержання ниткуватих нанокристалів Sі [9, 10]. Ця метода, безпосередньо пов’язана з процесами самоорга- нізації матерії, є складною для передбачення і на сьогодні недоста- тньо вивчена. Тому метою роботи є вивчення особливостей росту ансамблю на- нодротин Si методою хемічної газофазової епітаксії у відкритій транспортній та закритій бромідній системах та моделювання кіне- тики росту процесу осадження кремнію. 2. ЕКСПЕРИМЕНТ 2.1. Вирощування у відкритій проточній системі Вирощування нанодротин Si виконувалось на кремнійових підкла- дках з різною товщиною золотої плівки – 9 нм та 4 нм. Для забез- печення контрольованих умов росту використовувалися такі пара- метри: – температура росту Т = 580°С; – тиск газової суміші ≅ 100 мм жс. ст.; – час росту t1 = 5 хв. і t2 = 10 хв. Дослідження результатів ростових експериментів виконувалися за допомогою електронного та атомового силового мікроскопа. Можна відзначити такі закономірності вирощування нанодротин кремнію: 1) на першій стадії росту на підкладці утворюється полікристалі- чний шар товщиною приблизно 100—200 нм; 2) на другій стадії відбувається ріст нанодротів. У результаті виконаних експериментів на пластині кремнію утворився ансамбль нанодротин Si (рис. 1). Як показали дослідження, середній діяметер нанодротин зале- АНАЛІЗА КІНЕТИКИ РОСТУ НАНОВІСКЕРІВ КРЕМНІЮ 935 жить від товщини плівок золота подібно, як діяметер крапель Si— Au. Крім того, збільшення часу росту призводить до зростання дія- метра нанодротин. В результаті виконаних експериментів встанов- лено, що на кремнійовій підкладці з плівкою золота товщиною d ≈ 4—5 нм при значенні часу росту 5 хвилин з’явилися кристали з середнім діяметром ≅ 50—60 нм і висотою ≅ 100—200 нм. Збільшення часу вирощування до 10 хвилин призвело до появи кристалів біль- шого діяметра ≅ 70—110 нм. 2.2. Вирощування у закритій бромідній системі Для вирощування НК Si у закритій бромідній системі необхідно до- тримуватися малих відхилів газової фази від рівноваги і малих пе- ренасичень. Оптимальна температура в зоні кристалізації за дани- ми [11] становить 850°С. У наших експериментах для вирощування НК кремнію викорис- товувалася закрита бромідна система [12, 13]. Зокрема, згідно [12] в кварцову ампулу завантажували кремній, золото і плятину, а та- кож бор як леґувальну суміш у вигляді В2О3 та бром як транспорту- вальний аґент. На 1 г кремнію припадало 0,1 мг золота, 0,35 мг плятини, 0,4 мг бору і 50—100 мг брому. Температура зони випаро- вування становила 1200°С, а зони кристалізації 800—1000°С. В об- ласті температур 800—850°С здебільшого утворюються НК субмік- ронного діяметра, за 850—870°С утворюються двійники, за 870— 950°С переважає ріст шестигранних голкоподібних НК, а в інтерва- лі температур 950—1000°С ростуть ізометричні кристали. Діяметер голчастих НК збільшувався за підвищення температури росту. Для вирощування нанодротин кремнію на пластині кремнію з попередньо нанесеною плівкою золота виконано ряд ростових екс- периментів з різним часом термооброблення t = 5—30 хв., різною концентрацією транспортувального аґента nBr = 0,1—1 мг/cм 3 та рі- а б Рис. 1. Утворення Si-дротин на Si-підкладці з плівкою золота товщиною 9 нм при 600°C: а – час росту 5 хв.; б– час росту 10 хв. 936 А. О. ДРУЖИНІН, С. І. НІЧКАЛО, Ю. Р. КОГУТ, А. М. ВУЙЦИК зною товщиною осадженої золотої плівки на підкладку. Як показали експерименти, як збільшення часу термооброблен- ня, збільшення товщини плівки, так і зростання концентрації бро- му призводить до зростання середнього діяметра утворених НД Si (рис. 2). На вершинах кристалів добре помітні застиглі краплі. Виконана мікрозондова аналіза крапель показала, що це – краплі стопу Si— Au (рис. 3). Щодо дослідження умов вирощування полікристалічного шару, було виконано дві серії експериментів: – вирощування нанодротів Si з надтонкої (1 нм) плівки золота; – вирощування нанодротів Si на підкладці з попередньо нанесе- а б Рис. 2. Мікрофотографії нанодротин Si, одержаних у закритій бромідній системі за умов: а – Tросту = 630°С, t = 30 хв., nBr = 1 мг/cм 3 ; б – Tросту = 630°С, t = 15 хв., nBr = 1 мг/cм 3. Рис. 3. Результати мікрозондової аналізи краплі на вершині нанокристалу Si. АНАЛІЗА КІНЕТИКИ РОСТУ НАНОВІСКЕРІВ КРЕМНІЮ 937 ними лунками (рис. 4). У другому випадку переслідувалася мета можливого одержання мостової структури (нанодротина, закріплена кінцями на двох бе- регах лунки). Обидві серії експериментів призвели до утворення дендритної структури приповерхневого шару, з якої згодом починають ріст на- нодротини Si. Відмінним у цих двох серіях експериментів є середні розміри дендритів. У першій серії (на підкладці з острівковою плівкою золота; рис. 5) середній розмір дендритів становить приблизно 100 нм. Аналіза елементного вмісту дендритів та аморфних ниток Si по- казала наявність у них підвищеного вмісту кисню. У другій серії експериментів (у лунках) утворюються короткі кі- льцеподібні аморфні нитки Si з середнім діяметром близько 500 нм (рис. 6). Згодом на фоні аморфної фази чи дендритної основи починають Рис. 4. Спеціяльно створені лунки на поверхні підкладки кремнію. Рис. 5. Дендритні утворення на поверхні з острівковою плівкою золота. 938 А. О. ДРУЖИНІН, С. І. НІЧКАЛО, Ю. Р. КОГУТ, А. М. ВУЙЦИК з’являтися нанодротини Si з середнім діяметром близько 100 нм (рис. 7). Основним недоліком ростових експериментів у закритій системі є одержання нереґулярного ансамблю нанодротів. Причиною цього є участь нанесеного на підкладку золота в хемічній транспортній ре- акції, в результаті чого утворені зародки Si—Au можуть швидко мі- ґрувати по підкладці в області льокального переохолодження або по-новому перерозподілятися на ній. 3. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ Таким чином, в результаті виконання ряду експериментів у відкри- тій водневій проточній та закритій бромідній системах було одер- жано ансамблі нанодротин Si з середнім діяметром 100 нм. При цьому не вдалося: Рис. 6. Утворення аморфних ниток у лунках на підкладці кремнію. Рис. 7. Нанодроти Si, одержані в закритій бромідній системі на підклад- ках з острівковою плівкою золота. АНАЛІЗА КІНЕТИКИ РОСТУ НАНОВІСКЕРІВ КРЕМНІЮ 939 – уникнути утворення полікристалічного шару на підкладці; – добитися зменшення середніх розмірів нанодротин до 10—20 нм. Для достатньо тонких нанодротин аксіяльний ріст можна пред- ставити з врахуванням впливу ефекту Ґіббса—Томсона. Згідно з результатами роботи [4] швидкість росту нанодротин Si описується виразом:  Δμ Ωα = −      0 2 , n пкV b kT kTd (1) де Ω – питомий об’єм; αпк – питома вільна енергія фазової межі «пара—конденсована пара», значення яких відповідно дорівнює 7⋅10 −23 см 3 і 580 ерг/см 2 [4]; k – Больцманнова стала; Т – абсолютна температура; Δμ0/kT – пересичення над пласкою поверхнею; b – кінетичний коефіцієнт кристалізації; d – діяметер утвореного кри- сталу; n – показник ступеня, який може змінюватися від 1 до 2. З розгляду ефекту Ґіббса—Томсона можна зробити два висновки щодо вирощування нанодроти. – Наявність полікристалічного чи дендритного шару на підкла- дці є необхідною для утворення нанодротин. За рахунок термоди- фузії атомів кремнію з вістер дендритів чи вершин полікристалів створюються високі льокальні пересичення в місцях зародження та подальшого росту нанодротин. Щільне утворення нанодротин, в свою чергу, слугує для утворення більш товстих «віскерів» за раху- нок тих самих процесів термодифузії атомів ростового матеріялу з вістер нанодротів (див. рис. 7). – Врахування ефекту Ґіббса—Томсона дозволяє оцінити критич- ні (найменші) діяметри утворених нанодротів. Виходячи з формули (1), критичний зародок dкр можна одержати за умови V = 0: Δμ Ωα =0 2 .пк кр kT kTd (2) Підставляючи в формулу (2) ростові параметри, зокрема, пито- мий об’єм атома кремнію Ω, величину поверхневої енергії αпк та те- мпературу вирощування Т ≈ 870 К, одержуємо, що критичний дія- метер нанодротини dкр = 100 нм відповідає пересиченню в парі Δμ0/kT ≈ 0,1. Ця величина пересичення відповідає умовам вико- нання ростових експериментів. Тому, навіть коли товщина нанесе- ної плівки золота була мінімальною, розмір коаґульованих крапель Si—Au становив 10—20 нм, середній діяметер утворених нанодротів коливався в околі 100 нм. Для одержання нанодротин з середнім розміром dкр = 10 нм необ- хідне пересичення Δμ0/kT → 1. 940 А. О. ДРУЖИНІН, С. І. НІЧКАЛО, Ю. Р. КОГУТ, А. М. ВУЙЦИК 4. ВИСНОВКИ Досліджено умови вирощування нанодротин кремнію методою хе- мічних транспортних реакцій в закритій бромідній та відкритій проточній системі. Встановлено, що на кремнійовій підкладці з плівкою золота товщиною d ≈ 4—5 нм при значенні часу росту t = 5 хв. осаджуються кристали з середнім діяметром ≅ 50—60 нм і висо- тою ≅ 100—200 нм. Збільшення часу вирощування нанооб’єктів у 2 рази призвело до появи кристалів більшого діяметра ≅ 70—110 нм. На основі методи кінетичного експерименту визначено кінетичні параметри росту: ефективне перенасичення в газовій фазі, кінетич- ний коефіцієнт кристалізації та критичний діяметер, які станов- лять 0,162, 4⋅10 −4 см⋅с−1 та 47 нм відповідно. Показано, що наявність полікристалічного або дендритного шару на підкладці є необхідною умовою росту ННК, а врахування ефекту Ґіббса—Томсона дає можливість визначити критичний діяметер – діяметер, при якому швидкість аксіяльного росту ННК в заданих умовах рівна нулю. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 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. J.-Sh. Huang, Ch.-Yu Hsiao, Sh.-J. Syu et al., Solar Energy Materials and So- lar Cells, 93: 621 (2009). 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, 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. В. Сандулова, Ю. И. Заганяч, И. И. Марьямова и др., Нитевидные кри- сталлы и неферромагнитные пленки (Воронеж: Изд-во Воронежского по- литехн. ин-та: 1970). 12. A. A. Druzhinin, I. P. Ostrovskii, Yu. M. Khoverko, and Ya. V. Gij, Functional Materials, 12, No. 4: 738 (2005). 13. A. A. Druzhinin and I. P. Ostrovskii, phys. stat. sol. c, 1, No. 2: 333 (2004).

Аналіза кінетики росту нановіскерів кремнію

Репозитарії

Схожі ресурси