авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Взаимодействие атомов ge с поверхностными реконструкциями в системе ме/si(111)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Чубенко Дмитрий Николаевич

Взаимодействие атомов Ge с поверхностными

реконструкциями в системе Ме/Si(111)

Специальность — 01.04.10

Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Владивосток

2010

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН Саранин Александр Александрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Чеботкевич Людмила Алексеевна доктор физико-математических наук, профессор Галкин Николай Геннадьевич
Ведущая организация: Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 3 декабря 2010г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д005.007.02 при Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии наук по адресу:

690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ИАПУ ДВО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Института автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу:

690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ИАПУ ДВО РАН

Автореферат разослан ?? октября 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Гамаюнов Е. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. В последние годы в электронной промышленности усилился интерес к гетероструктурам GexSi1-x, выращенных на подложках кремния. Такие системы, обладающие новыми физико-химическими свойствами и получившие название «искусственные подложки» [1], позволяют существенно улучшить свойства приборов, которые традиционно изготавливаются на подложках кремния [2, 3]. Появляется возможность использования подобных гетероструктур в качестве искусственных подложек для роста GaAs, что может в будущем привести к совмещению приборов, создаваемых на основе кремниевой технологии, с оптоэлектронными приборами, основным материалом для которых является GaAs. Уже разработаны полупроводниковые устройства, использующие напряженные слои GeSi. Например, в 2006 году фирма IBM сообщила об успешной разработке транзистора, способного работать на частоте 500 ГГц, что примерно в 100 раз превышает максимальные показатели полупроводниковых приборов, применяемых сейчас в массовом производстве микросхем. Таким образом, слои твердого раствора GeSi приобретают очевидную актуальность и практическую значимость. Тем не менее, свойства поверхности таких слоев пока практически не изучены, несмотря на то, что усиливающаяся тенденция миниатюризации полупроводниковых приборов приводит к все возрастающей роли структуры поверхностей полупроводников при создании на них электронных, оптических и т.п. устройств. На сегодняшний день известно более 300 поверхностных реконструкций на кремнии и около 100 на германии, но реконструкции, формирующиеся на поверхности гетерослоя GeSi практически неизвестны.



С другой стороны, изучение формирования атомных реконструкций на поверхности GexSi1-x/Si позволит лучше понять процессы на поверхности твердых тел. Действительно, вопрос о том, какой специфический параметр подложки и слоя адсорбата контролирует структуру и свойства получаемой реконструкции, всё еще представляет интерес. Нахождение ответа на этот вопрос открывает возможность контролируемой модификации реконструкций в нужном направлении, получение структур с заданными свойствами. В настоящее время принято считать, что образование реконструкций на поверхности твердых тел в основном есть результат конкуренции двух процессов: (а) уменьшение числа свободных (ненасыщенных) связей, обусловленное перегруппировкой атомов на поверхности (это приводит к уменьшению поверхностной энергии); (б) увеличение поверхностного напряжения, вызванного заменой атомов (это приводит к увеличению поверхностной энергии).

Одним из путей модификации структуры и свойств поверхностной реконструкции является добавление атомов другого адсорбата, что влияет на оба процесса. Например, добавление атомов Au в поверхностную реконструкцию приводит к изменению электронных свойств поверхности [4], добавление атомов In в приводит к «плавлению» доменных стенок [5], в то время как добавление атомов Al в такую же реконструкцию вызывает появление новых реконструкций и 22 и т.п. С другой стороны, изменение механического напряжения поверхности также может приводить к значительным изменениям структуры и свойств поверхностных реконструкций. В этом плане замена верхнего поверхностного слоя подложки Si на слой GexSi1-x, для которого свойственно незначительное увеличение постоянной решетки, предоставляет большие возможности для модификации поверхностных реконструкций, что является важным этапом в поиске методов синтеза структур пониженной размерности с заданными свойствами.

Всё вышесказанное определило актуальность и цели данной работы.

Цель диссертационной работы: исследовать влияние модификации приповерхностного слоя подложки Si(111) на процессы формирования, структуры и свойства поверхностных реконструкций.

Для достижения указанной цели предполагалось решить следующие задачи:

1. Изучить поведение атомов Ge на поверхностной реконструкции Si(111)5,555,55-Сu, а также изменение структуры несоразмерной фазы Si(111)5,555,55-Сu при формировании твердого раствора GexSi1-x.

2. Исследовать изменение кристаллической структуры поверхностной реконструкции Si(111)41-In при формировании в приповерхностном слое твердого раствора GexSi1-x.

3. Рассмотреть изменения физических свойств реконструкций в системе Al/Si(111) при формировании в приповерхностном слое твердого раствора GexSi1-x.

Научная новизна работы. Работа содержит новые экспериментальные результаты, наиболее важные из которых следующие:

1. Получены массивы атомных кластеров германия и определена величина потенциального барьера на доменных стенках элементарных ячеек реконструкции Si(111)5,555,55-Cu.

2. Экспериментально обнаружен переход реконструкции 41 в реконструкцию 73 в системе In/Si(111) при формировании в приповерхностном слое твердого раствора GexSi1-x.

3. Показана возможность изменения относительной температурной стабильности реконструкций в системе Al/Si(111) путем создания слоя твердого раствора GexSi1-x в приповерхностном слое.

Практическая значимость исследования. В ходе выполения диссертационной работы показана возможность изменения температурной стабильности наноструктур, что может быть использовано для улучшения характеристик нанокатализаторов на основе магических кластеров Al. Предложена методика анализа однородности твердого раствора GexSi1-x на поверхности Si(111) по локальной ориентации элементарных ячеек реконструкции Si(111)5,555,55-Cu.

Основные защищаемые положения.

1. Величина диффузионного барьера между ячейками реконструкции Si(111)5,555,55-Cu -Cu для атома Ge составляет 0,29±0,03 эВ. Атомы Ge на поверхностной реконструкции Si(111)5,555,55-Cu формируют кластеры трех типов: гексагональные и 22 кластеры, а также четырехугольные кластеры.

2. Модификация поверхности Si(111) формированием в приповерхностной области твердого раствора GexSi1-x вызывает переход поверхностной реконструкции Si(111)41-In в реконструкцию 73.

3. Поверхностная реконструкция -77 в системе Al/GexSi1-x(111) имеет увеличенную температурную стабильность и существует вплоть до температуры десорбции Al (800°C), в отличие от системы Al/Si(111), в которой она существует до температуры 600°С, после чего необратимо переходит в реконструкцию Si(111)-Al.

4. Модификация поверхности Si(111) формированием в приповерхностной области твердого раствора GexSi1-x изменяет предпочтительные адсорбционные позиции для атома Al с позиции «адатома» на замещающую позицию.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе: Х, XI, XII Региональных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. ИАПУ ДВО РАН, Владивосток. 2006-2009; 7-я региональная научная конференция ФФИИО-7, 2007, г. Владивосток; The Russia-Japan Seminar on Semiconductor Sirfaces, 2006, 2008; Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, ДВГУ, 2006, г. Владивосток; The Eight Japan-Russia Seminar on Semiconductor Surfaces, 2008, Sendai. 16th International Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”, Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в Перечень ведущих периодических изданий ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в подготовке и проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и интерпретации полученных результатов. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 78 рисунков и список цитируемой литературы из 163 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертации, где обоснована актуальность темы и объектов исследования, сформулированы цель и выносимые на защиту положения, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Субмонослойные реконструкции на кремнии и германии» приведены базовые понятия, касающиеся кристаллографии поверхности. Представлены основные сведения о чистых поверхностях кремния Si(111), германия Ge(111), рассмотрены поверхностные реконструкции, которые образуются при взаимодействии Al, In, Cu на поверхностях на грани (111) кремния и германия.

Вторая глава «Экспериментальная установка и методы исследования» посвящена рассмотрению основных методов исследования поверхности, таких как сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая туннельная спектроскопия, дифракция медленных электронов. Описаны методики приготовления образцов и очистки поверхности.

Третья глава «Диффузия атомов Ge на поверхности Si(111)5,555,55-Cu при комнатной температуре и взаимодействие Ge с этой поверхностью при более высоких температурах» посвящена изучению динамики отдельных адатомов Ge и их самоорганизации в кластеры на реконструированной поверхности Si(111)5,555,55-Cu методом сканирующей туннельной микроскопии. Экспериментальные исследования миграции адатомов по поверхности представляют значительный интерес для физики поверхности, так как они способствуют достижению более детального и глубокого понимания процессов на поверхности, приводящим к формированию атомных кластеров, наноструктур и тонких пленок. Особенно актуально исследование таких процессов методами, позволяющими отследить движение отдельного атома по поверхности, одним из которых является сканирующая туннельная микроскопия [6].

Поверхностная реконструкция Si(111)5,555,55-Cu (рис. 1 (а)) представляет собой квазипериодический несоразмерный слой Cu2Si, локальная структура которого образована атомами меди в позициях Н3 (Cu(H3) атомы) и замещением атомов кремния в верхнем двойном слое кремния (Cu(Su) атомы) (рис. 1 (б), (в), (г)).

Несоответствие параметров решетки между Cu2Si и Si(111) приводит к формированию несоразмерных доменов, имеющих форму неидентичных шестиугольников со средним размером 5,5а0 (выделены на рис. 1 (а) белыми линиями), разделенных доменными стенками с вакансионными дефектами в узлах (рис. 1(а)). Потенциальный рельеф поверхности отражает особенности этой реконструкции. Он представляет собой массив потенциальных «бассейнов», расположенных в центральной части шестиугольников и разделенных относительно высокими и широкими барьерами вдоль сторон шестиугольников.





Рис. 1. (а) СТМ изображение высокого разрешения поверхности Si(111)5,555,55-Cu (125125 2); (б) структурная модель Cu2Si/Si(111) предложенная Зегенхагеном [7]; (в) экспериментальное и (г) моделированное СТМ изображения заполненных состояний (1212 2), показывающие соответствие СТМ максимумов атомам, составляющим слой Cu2Si.

Ge осаждался на поверхность Si(111)5,555,55-Cu при комнатной температуре. СТМ исследования проводились как при комнатной температуре, так и с охлаждением образца до низких температур (Т120К).

При комнатной температуре адатомы Ge перемещаются по поверхности Cu2Si, однако их движение ограничено доменными стенками; адатомы совершают непрерывное движение внутри шестиугольной ячейки. Скорость перемещения атома Ge выше скорости сканирования СТМ, таким образом, нестабильный атом германия на СТМ изображении выглядит как «заштрихованная» область, не имеющая определенной формы (рис. 2 (а) и рис. 3 (а)). Внутри ячейки атом может находиться в нескольких, от трех до шести, адсорбционных позициях, расположенных над атомами Cu(Su) (рис. 2. (б)-(г)). Это было показано методом «усреднения» нескольких СТМ изображений. На рис. 2 (б) показано усредненное изображение полученное из 18 отдельных СТМ изображений одного и того же места поверхности. Наложение структурной модели Cu2Si на усредненное изображение (рис. 2 (в)) показало, что центры максимумов расположены в позициях Cu(Su) центральной части шестиугольника (рис. 2 (д)). Как видно, атомы Ge посещают только центр ячейки, избегая области доменных стенок. Данное наблюдение позволяет качественно описать форму потенциального рельефа поверхности Si(111)5,555,55-Cu. Поверхность содержит набор потенциальных бассейнов, сосредоточенных внутри центров шестиугольных доменов реконструкции Si(111)5,555,55-Cu, которые характеризуются неглубоким потенциальным рельефом с минимумами в позициях Cu(Su).

Для большинства атомов Ge, доступной для перемещения областью является внутренняя часть шестиугольного домена, ограниченная доменными стенками. Перемещение атома Ge из одного шестиугольного домена реконструкции Si(111)5,555,55-Cu в другой является редким событием.

Рис. 2. (а) одиночное СТМ изображение шестиугольной ячейки поверхности Si(111)5,555,55-Cu с быстро

перемещающимся внутри атомом Ge, (б) «усредненное» СТМ изображение, полученное путем наложения 18 изображений одного и того же шестиугольника. Серыми точками отмечены угловые кратеры, которые использовались как точки привязки при наложении изображений, (в) схематичное изображение Cu2Si, с атомами Cu(H3) в качестве узлов (белые кружки), наложенная на усредненное СТМ изображение, на котором обведены СТМ максимумы, соответствующие адсорбционным позициям атома Ge. Крестами отмечены центры этих максимумов, (г) увеличенной схематическое изображение шестиугольника на (в), показывающее, что атом германия посещает позиции Сu(Su).

С понижением температуры, скорость прыжков атомов Ge уменьшается и при температурах ниже 265К время жизни атома Ge (т.е. время, в течение которого атом Ge находится неподвижно в одной адсорбционной позиции) становится больше времени, необходимого для получения СТМ изображения этого атома. Поэтому атомы Ge на СТМ изображениях, полученных при низкой температуре, выглядят как сплошные круглые максимумы (рис. 3 (б)).

 СТМ изображения заполненных-9

Рис. 3. СТМ изображения заполненных состояний поверхности Si(111)5,555,55-Cu после осаждения 0,02 МС Ge полученные при (а) комнатной температуре; (б) 242 К. Размер СТМ изображений 6565 2.

Среднее время жизни атома германия в адсорбционной позиции было измерено как функция температуры с помощью режима видео-СТМ. В диапазоне температур от 224 до 265 К, оно варьируется от 208 до 27 секунд (рис. 4(а)). Величина диффузионного барьера, полученная из построения Аррениуса (рис. 4 (б)) для среднего времени жизни, составляет 0,29±0,03 эВ, а частотный множитель равен 109±1 Гц.

Рис. 4. (а) Уменьшение количества адатомов германия, сохраняющих свои начальные адсорбционные позиции для 224, 232, 242, 253 и 265К. Сплошные линии представляют собой график , с временем жизни в качестве подгоняемого параметра для каждой температуры. (б) Температурная зависимость (построение Аррениуса) среднего времени жизни адатома германия в адсорбционной позиции внутри ячейки Si(111)5,555,55-Cu.

Когда покрытие Ge приближается к ~0,03 МС, количество атомов Ge становится сравнимым или больше числа шестиугольных ячеек на поверхности и вследствие этого некоторые ячейки могут захватывать по несколько атомов Ge, т.е. формируются атомные кластеры Ge. Статистический анализ показал, что на этом этапе преобладающими кластерами являются димеры с межатомным расстоянием , реже встречаются димеры с межатомными расстояниями 2а и . Димеры с расстоянием больше , равно как и 1а не встречаются. С ростом покрытия Ge, количество атомов Ge, находящихся внутри шестиугольников, увеличивается до тех пор, пока не будут заняты все возможные адсорбционные позиции. Это наступает при покрытии насыщения 0,1 МС. В результате на поверхности формируются кластеры, состоящие из большего количества атомов Ge, включая димеры, тримеры, тетрамеры и пентамеры. Тримеры являются самым распространенным типом кластеров. В зависимости от межатомного расстояния кластеры могут быть разделены на три основные группы: гексагональные и 22 кластеры, а также четырехугольные кластеры. Как и димеры, тримеры являются самым распространенным типом кластеров. При покрытиях Ge больше покрытия насыщения, атомы германия образуют трехмерные островки.

При нагреве поверхности Ge/Si(111)5,555,55-Cu атомы Ge диффундируют сквозь слой Cu2Si вглубь подложки, растворяются в подповерхностной области и формируют слой GexSi1-х. Как известно, поверхностные структуры Cu/Si и Cu/Ge имеют подобные кристаллические структуры [8], но различаются размерами элементарной ячейки и углом разворота ее относительно объемной решетки. В данной работе показано что, структура Cu/GexSi1-x подобна по устройству «чистым» системам, однако размеры ячейки и угол ее разворота пропорциональны концентрации Ge в приповерхностной области. Это позволяет использовать данную систему для оценки равномерности растворения Ge в Si(111).



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.