Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 5 из 19)
Существует еще довольно распространенный способ приготовления неорганического стекла, окрашенного нанокристаллами соединений II—VI (CdS) и I—VII(CuCl, CuBr, CuI).Рост полупроводниковых нанокристаллов происходит при распаде пересыщенного раствора ионов в стекле. При этом способе получаются стабильные твердотельные стекла с вкрапленными нанокристаллами. Рост кристаллов в стеклянной матрице происходит при температуре 550— 700°С. Эта температура обычно превышает температуру плавления объемных полупроводниковых кристаллов, составляющую 400—500°С. С уменьшением размера нанокристалла до 1—2 нм температура плавления понижается до 200—250°С. К недостаткам такого роста относятся широкий разброс размеров частиц, невозможность воздействовать на параметры границы раздела стекло -нанокристалл.
При рассмотрении физических механизмов спонтанного возникновения упорядоченных наноструктур принято различать две принципиальные возможности. Во-первых, упорядоченные наноструктуры могут возникать в замкнутых системах, например, при отжиге образцов или при длительном прерывании роста. Такие структуры являются равновесными, и для их описания используется термодинамический подход. Во-вторых, упорядоченные структуры могут возникать в открытых системах в процессе роста кристалла. Эти структуры не являются равновесными, и для их описания применяется кинетическое рассмотрение. Использование термина "самоорганизация" наноструктур охватывает как равновесные явления, так и неравновесные процессы, а также их комбинацию. Этот подход дает возможность анализировать с единых позиций различные механизмы спонтанного возникновения наноструктур, при котором, как правило, равновесие успевает установиться только частично (например, равновесие успевает установиться на поверхности и не успевает в объеме).
Анализ современного состояния исследований в области технологий формирования спонтанно упорядоченных наноструктур позволяет выделить четыре большие класса, приведенные на рис. 1 [16]. Это:
— структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников;
— периодически фасетированные поверхности;
— периодические структуры плоских доменов (например, островков монослойной высоты);
— упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах.
Хотя причина неустойчивости однородного состояния различна для каждого класса наноструктур, причина упорядочения в неоднородном состоянии общая для всех классов наноструктур. Во всех этих системах соседние домены различаются постоянной кристаллической решетки и (или) структурой поверхности, и, следовательно, доменные границы являются источниками дальнодействующих полей упругих напряжений. Это позволяет использовать единый подход ко всем четырем классам упорядоченных наноструктур и рассматривать их как равновесные структуры упругих доменов, соответствующие минимуму свободной энергии. До недавнего времени доменные структуры, приведенные на рис. 1, а-с, традиционно рассматривались вне связи с полупроводниковыми наноструктурами. Единый подход позволяет проследить основные закономерности образования упорядоченных структур на более простых примерах (рис. 1, а—с)и затем, с одной стороны, применить их к описанию массивов трехмерных когерентно напряженных островков (рис. 1, d), и с другой стороны, использовать при разработке новой технологии получения полупроводниковых наноструктур.
1.2.1.2. Концентрационные упругие домены в твердых растворах полупроводников
Возможность спонтанного возникновения структур с модулированным составом в твердых растворах связана с неустойчивостью однородного твердого раствора относительно спинодального распада [17,18]. Эта неустойчивость для твердого раствора A1-cBcC означает, что твердый раствор с некоторым неоднородным профилем состава с(r) = с + dс(r) имеет меньшую свободную энергию, чем однородный твердый раствор с составом с (r) = с.
Изменение свободной энергии системы, обусловленное флуктуацией состава dс(r), равно
где Н — энтальпия, Smix— энтропия смешивания, Т — температура, Eelastic — упругая энергия. Неустойчивость однородного твердого раствора относительно флуктуации состава возникает, когда энтальпия образования твердого раствора A1-cBcC из бинарных компонентов АС и ВС положительна, DHformation = H(А1-сВсС) - (1-с)H(АС) - cH(ВС) > О, что справедливо для всех тройных твердых растворов полупроводников AIIIBV. Тогда при Т = 0 двухфазная смесь чистых материалов АС и ВС имеет меньшую свободную энергию, чем однородный твердый раствор A1-cBcC, и последний оказывается неустойчивым. При конечных Т вклад Smixв свободную энергию способствует перемешиванию компонентов и стабилизирует однородный твердый раствор.
Упругая энергия обусловлена зависимостью равновесного параметра решетки твердого раствора а от состава с в соответствии с правилом Вегарда. Области твердого раствора с различным составом имеют различные значения равновесной постоянной решетки. Сопряжение двух областей происходит путем упругой деформации, с которой связана упругая энергия. Именно упругая энергия, зависящая от пространственного профиля состава, определяет "мягкую моду", соответствующую наиболее неустойчивым флуктуациям состава. В объемном образце "мягкая мода" обусловлена только упругой анизотропией кристалла и может быть представлена как волна состава с волновым вектором, параллельным направлению наилегчайшего сжатия кристалла [17]. Для большинства кубических материалов — это направления [100], [010] и [001]. Конечное состояние распадающегося твердого раствора — это 1D слоистая структура концентрационных упругих доменов, чередующихся вдоль одного из направлений наилегчайшего сжатия [18].
Для исследования возможности спонтанного образования наноструктур в работах [19, 20] была построена теория спинодального распада в эпитаксиальных пленках твердых растворов, где релаксация напряжений вблизи свободной поверхности должна уменьшать эффект упругой стабилизации однородного твердого раствора. Для твердого раствора в эпитаксиальной пленке на (001) -подложке кубического кристалла, согласованного по постоянной решетки с однородным твердым раствором с составом с, была найдена "мягкая мода" флуктуации состава. Показано, что "мягкая мода" локализована вблизи свободной поверхности z = 0 и затухает экспоненциально в глубину пленки dс (r) ~ ехр(- |kz|) exp(ik||r||), а волновой вектор в плоскости поверхности k|| = (kx, ky) направлен вдоль оси наилегчайшего сжатия [100] (или [010]). Благодаря релаксации упругих напряжений вблизи свободной поверхности упругая энергия, связанная с "мягкой модой", уменьшена на множитель » 1/3 по сравнению с упругой энергией в объемном образце, и многие твердые растворы оказываются неустойчивыми относительно спинодального распада уже при 450- 500° С. Была найдена равновесная структура с модуляцией состава, для которой состав модулирован в плоскости вдоль направления [100] или [010], а амплитуда модуляции максимальна на свободной поверхности и затухает вглубь пленки. Данные исследования показали, что релаксация упругих напряжений вблизи свободной поверхности способствует спонтанному образованию наноструктур, а упругая анизотропия материала определяет ориентацию наноструктур.
1.2.1.3. Периодически фасетированные поверхности
Причиной спонтанного фасетирования плоской поверхности кристалла является ориентационная зависимость поверхностной свободной энергии. Если плоская поверхность имеет большую удельную поверхностную энергию, то она спонтанно трансформируется в структуру "холмов и канавок" [21]. Это уменьшает полную свободную энергию поверхности, несмотря на увеличение ее площади.
Теория спонтанного образования периодически фасетированных поверхностей была построена в работах Андреева [22] и Марченко [23]. Позднее этот подход был распространен на фасетированные поверхности в гетероэпитаксиальных напряженных системах и является одной из отправных точек для рассмотрения массивов трехмерных напряженных островков.
Согласно [23], полная энергия периодически фасетированной поверхности с периодом D, определенная на единицу площади первоначально плоской поверхности, равна
где Efacets = const(D) - поверхностная свободная энергия наклонных граней, Eedges= C1D-1 - короткодействующая составляющая энергии ребер, DEelastic = - C2D-1ln(D)/a) - энергия упругой релаксации. Поскольку деформации создаются линейными источниками (ребрами), DEelastic зависит логарифмически от D, и полная энергия (3) всегда имеет минимум при некотором оптимальном периоде Dopt.
1.2.1.3.1. Гетероэпитаксиалыные структуры на периодически фасетированных подложках
Периодически фасетированные поверхности дают возможность для прямого получения упорядоченных массивов квантовых проволок в том случае, когда рост материала 2, осаждаемого на поверхность материала 1, происходит в "канавках" (рис.2). Для изучения этой возможности было выполнено оригинальное теоретическое исследование возможных структур гетероэпитаксиальной системы, образующейся при осаждении материала 2 на фасетированную поверхность материала 1[24]. Рассматривалась ситуация, для которой, во-первых, два материала почти согласованы по постоянной решетки (примером является система GaAs/AlAs), и, во-вторых, как поверхность материала 1, так и поверхность материала 2 неустойчивы относительно фасетирования. При температурах значительно ниже температуры плавления такая неустойчивость должна иметь место для вицинальных и высокоиндексных поверхностей.