Введение к работе
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 a-77 в системе Al/GexSi1-x(111) имеет увеличенную температурную стабильность и существует вплоть до температуры десорбции Al (800C), в отличие от системы Al/Si(111), в которой она существует до температуры 600С, 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.
