Введение к работе
Актуальность работы. Усиливающаяся тенденция к миниатюризации полупроводниковых приборов, наблюдаемая в настоящее время в электронной промышленности, вызвала повышенный интерес к исследованиям поверхностей полупроводников и наноразмерным объектам, формирующихся на этих поверхностях. С уменьшением размеров элементов интегральных схем, процессы, происходящие на поверхности, начинают играть все большую роль.
На сегодняшний день известны различные методы получения нанообъек-тов на поверхностях (литографии, молекулярно-лучевая эпитаксия, химический синтез и т.д.) [1]. Одним из перспективных методов считается самосборка, в котором, путём создания определенных условий, система сама стремиться к формированию определенных наноструктур. В случае использования метода самосборки для создания наноструктур на поверхностях полупроводников, помимо традиционных макроскопических параметров (температура подложки, давление паров и другие «ростовые» параметры) необходимо учитывать и многие параметры подложки.
Физика поверхности полупроводников более чем за 30 лет своего существования накопила огромный багаж; знаний о поверхностных реконструкциях [2]. Известно более 300 субмонослойных реконструкций на кремнии, полученных адсорбцией практически всех химических элементов Периодической системы [3]. Однако, эти знания носят преимущественно фундаментальный характер. С практической точки зрения, формирование на поверхности реконструкций кардинально меняет такие свойства поверхности, как периодичность, расположение адсорбционных позиций, морфологию и многие другие. Использование субмонослойных реконструкций, в качестве модификаторов поверхности открывает новые возможности в исследовании процессов самосборки, ведущих к получению новых наноматериалов с уникальными физико-химическими свойствами.
В данной работе исследовались процессы формирования нанообъектов при адсорбции элементов In, А1, Си, Аи и Со на модифицированных поверхностях Si(lll) и Si(100). Нанообъекты, полученные из данных материалов в будущем могут быть использованы для создания новой элементной базы на-ноэлектроники. Так, нанопленки Аи и Си обладают высокой электрической проводимостью, что позволяет рассматривать их в качестве основы для создания токопроводящих элементов. Уменьшение характерных размеров таких структур без существенного ухудшения электро-физических характеристик является актуальной задачей. Кроме того, островки Аи уже в настоящее
время применяют в качестве инициаторов роста полупроводниковых виске-ров [4]. Уменьшение диаметра вискеров (создание нановискеров) невозможно без уменьшения размеров островков Аи. Металлические наноостровки так же могут проявлять каталитическую активность (окисление СО и др.) даже в тех случаях, когда объемный материал такой активностью не обладает. Кобальт выбран в качестве исследуемого материала из-за своих магнитных свойств. Выбор In и А1 обусловлен применением их в полупроводниковой промышленности в качестве легирующих примесей.
В данной работе модифицированными поверхностями выступали образцы Si(100) и Si(lll) с созданными на них реконструкциями Si(lll)5,55x5,55-Cu и Si(100)c(4xl2)-Al. Целью таких модификаций являлось изменение основных свойств поверхностей, приводящие к смене режима роста, предотвращающие перемешивание атомов адсорбата с атомами подложки, ориентирующее влияние и др. В отличие от толстых, зачастую многослойных, буферных слоев, выращиванием которых достигаются схожие цели в настоящее время, модификация поверхности субмонослойными реконструкциями призвана сохранить такие характеристики монокристаллической подложки, как низкая шероховатость, предсказуемые направления атомных ступеней и интервал между ними, высокое кристаллическое совершенство поверхности, низкая плотность дефектов и многое другое.
Наряду с формированием нанообъектов, возможность модификации атомной структуры самих поверхностных фаз также представляет значительный интерес. В данной работе это направление представлено исследованием влияния адсорбции атомов In и А1 на доменную структуру поверхностной фазы Si(lll)av3xV3-Au. Данная реконструкция обладает интересным свойством — высокой плотностью доменных стенок, которые при определенных условиях могут «растворятся» и конденсироваться в различные упорядоченные структуры. Это делает её уникальным объектом исследований самосборки на атомном уровне.
Целью диссертационной работы: является исследование влияния суб-монослойных поверхностных реконструкций на режимы роста металлов на поверхностях Si(100) и Si(lll), и исследование взаимодействия доменных стенок реконструкции Si(lll)av3 х уЗ-Au с атомами адсорбата.
Для достижения указанной цели предполагалось решить следующие задачи:
1. Исследовать формирование наноструктур при адсорбции металлов (In, Си, Аи и Со) на реконструированную поверхность Si(100)c(4xl2)-Al при различных температурах осаждения.
Исследовать рост нанообъектов при адсорбции Си, Аи и Со на поверхностную фазу Si(lll)5,55x5,55-Cu.
Изучить влияние атомов In и А1 на атомную и доменную структуры поверхностной фазы Si(lll)av3xv3-Au.
Научная новизна работы. Работа содержит новые экспериментальные результаты, наиболее важные из которых следующие:
Установлено влияние поверхностной реконструкции Si(100)c(4xl2)-Al на формирования нанообъектов металлов (In, Си, Аи и Со).
Экспериментально определен верхний предел энергии активации диффузии для атомов In, Си и Аи по поверхности Si(100)c(4xl2)-Al.
Показана возможность создания наноструктур на основе Аи и Со модификацией поверхности Si(lll) реконструкцией Si(lll)5,55x5,55-Cu.
Установлено влияние адсорбции атомов In и А1 на доменную структуру поверхностной фазы Si(lll)-o;\/3 х л/3-Au.
Практическая значимость исследования. В ходе выполнения диссертационной работы было исследовано формирование металлических нано-островков In, Си, Аи п Со на реконструированной поверхности кремния Si(100)c(4xl2)-Al. Подобраны экспериментальные условия, при которых возможно контролируемое формирование массива наноостровков указанных металлов. Рассчитан верхний предел энергии активации диффузии осаждаемых атомов. Полученная информация найдет применение при создании каталитически активных поверхностей [5], при формировании нановискеров, необходимых для создания многоострийных катодов, сверхострых зондов для зон-довой микроскопии [4] и т.д. В результате исследования адсорбции Си и Аи на поверхность Si(lll)5,55x5,55-Cu определены оптимальные условия формирования нанопленок золота и упорядоченного массива нанопроволок меди. Эти объекты могут быть использованы в будущем при разработке токопро-водящих элементов интегральных схем.
В результате исследования адсорбции атомов In и А1 на поверхностную фазу Si(lll)av3xуЗ-Аи была показана возможность модификации доменной структуры поверхности. Такие процессы представляют интерес в плане расширения возможностей синтеза низкоразмерных материалов на поверхности.
Основные защищаемые положения.
Смена режима роста с послойного на островковый и ориентирующее влияние на рост островков In, Си и Аи происходит при использовании в качестве зародышеобразующей поверхности Si(100)c(4xl2)-Al.
Энергия активации диффузии атомов Си на поверхности Si(100)-с(4х12)-А1 составляет 0,26±0,09эВ, энергия связи димера Си равна 1,4±0,4эВ. Для Си существует два режима зародышеобразования островков, критическая температура смены режимов роста составляет 245С. Верхний предел энергии активации диффузии для атомов In и Аи составляет 0,64±0,08эВ и 0,34±0,06эВ соответственно.
Рост нанопроволок Си и нанопленок Аи происходит на поверхностной реконструкции Si(lll)5,55x5,55-Cu.
На плотность линейных дефектов поверхностной фазы Si(lll)av3xуЗ-Аи сильное влияние оказывает адсорбция In и А1. В случае осаждения In происходит полное растворение доменных стенок, в случае осаждения А1 происходит упорядочение доменных стенок в периодическую структуру с образованием новых поверхностных реконструкций 3\/ЗхЗ\/3 и 2x2.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях, в том числе:
Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» 2005, г.Томск;
International Symposium on Surface Science and Nanotechnology ISSS-4, 2005, Omiya Sonic City, Saitama, Japan;
VII международной очно-заочной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей 2005, г. Владивосток;
IX, X, XI и XII Региональных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, 2005-2009;
7-й региональная научная конференция ФФПИО-7, 2007, г.Владивосток;
Седьмой и восьмой всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, СПбГПУ, Санкт-Петербург;
The Russia - Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, 2006, 2008;
Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике, ДВГУ, 2006, г.Владивосток;
Двенадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ-12, 2006, г.Новосибирск;
The Eighth Japan - Russia Seminar on Semiconductor Surfaces, 2008, Sendai;
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 4 статьи в журналах входящих в Перечень изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в активном участии в проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и интерпретации полученных результатов. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в ПАПУ ДВО РАН совместно с группой сотрудников. Часть СТМ изображений с атомарным разрешением получена лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 157 страниц, включая 87 рисунков и список литературы из 129 наименований.
