Анотація до роботи:

Рубежанська М.Ю. Вплив пружних деформацій у епітаксійному гетеропереході Sі-Gе з квантовими точками Gе на ефект розмірного квантування.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу пружних деформацій, що виникають у епітаксійному гетеропереході Sі-Gе внаслідок розузгодження за постійними ґратки між Si та Ge, на особливості формування нанокластерів Gе на підкладинах Si(100) та Si(111), їх властивості та ефекти розмірного квантування в таких системах. Вперше запропонований метод формування гетероепітаксійних структур з системами проміжних шарів Si_1-xGe_x докритичної товщини із поступовим збільшенням мольної частки Ge дозволив одержати масиви квантових точок Ge на підкладинах Si(100) і Si(111), які відрізняються як формою і розмірами нанокластерів, так і щільністю їх розподілу по поверхні підкладини.

Вперше виявлено аномальний характер зміни постійних ґраток Ge і Si у площині росту при формуванні систем проміжних шарів, коли із збільшенням мольної частки Ge у шарах усереднена постійна ґратки у твердому розчині Si_1-xGe_x стає меншою за меншу на 3-5 % при х>0,3. Згідно оцінок, такі деформації Ge і Si у площині росту відповідають тиску ~8 ГПа та зменшенню довжини зв'язку у гетеропереході Si-Ge від 0,235 нм (для чистого Si) до 0,226 нм. На основі експериментальних даних дифракції швидких електронів та розрахунків зроблено припущення щодо можливості розмитого чи деформаційного фазового переходу.

Вперше за допомогою методу електронної польової емісії з масивів квантових точок Ge на підкладинах Si(100) і Si(111) виявлено ефект розмірного квантування. В залежності від геометричних параметрів нанокластерів, на вольтамперних характеристиках польової емісії спостерігалися відтворювані піки струму (від 1 до 6). Поява цих піків струму пояснюється резонансним тунелюванням електронів через додаткові енергетичні рівні у потенційних ямах внаслідок ефектів розмірного квантування в системі нанокластерів Ge.

Чисельне моделювання пружних напружень у системі наноострівець-поверхня в рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ показало, що величина відносної пружної деформації e в острівцевій плівці майже не залежить від висоти нанокластерів і змінюється пропорційно , де L – їх латеральний розмір. Результати моделювання добре узгоджуються з експериментально виміряними значеннями деформації й геометричних параметрів острівців.

У дисертаційній роботі наведено результати дослідження впливу напружень, що виникають в області гетеропереходу Si-Ge внаслідок розузгодження за постійними ґратки між Si і Ge, на ефекти розмірного квантування в системах із квантовими точками Ge на Si. Гетероструктури з квантовими точками є одними з найбільше інтенсивно досліджуваних нанооб’єктів завдяки своїм надзвичайним електронним й фізичним властивостям.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. Отримано експериментальні зразки з квантовими точками Ge на підкладинах Si(100) і Si(111) методом молекулярно-променевої епітаксії на установці «Катунь-В». Розроблено удосконалене джерело Ge оригінальної конструкції, що дозволило не лише збільшити швидкість росту Ge (до 0,1 нм/c) та досягти потік Ge максимальної однорідності розподілу по поверхні підкладини Si діаметром до 100 мм, а також суттєво поліпшити структуру твердого розчину SiGe.

2. Вперше запропоновано метод формування гетероепітаксійних структур з системами проміжних шарів Si_1-xGe_x, що містять N двовимірних шарів докритичної товщини з поступовим збільшенням мольної частки Ge. Ця методика дозволила одержати різні структури з КТ Ge на підкладинах Si(100) і Si(111), що відрізняються як формою та розмірами нанокластерів (від 20 до 250 нм шириною, від 3 до 40 нм висотою), так і їх щільністю розподілу по поверхні підкладини (від 10⁹ до 10¹¹ см^-2). Показано вплив параметрів проміжних шарів на геометричні характеристики систем квантових точок Ge на Si та щільність їх розподілу по поверхні підкладини.

3. Виявлено двоетапний характер формування КТ Ge на Si(111), коли поверхня з атомарно гладкої спочатку стає ребристою вздовж напрямку {011}. У перетині це порівняно плоскі й майже симетричні (кути при гранях ~5 і 7) фасетні утворення висотою до 10 нм і 120–180 нм у підвалині. Потім на гранях ребер (100 нм 7 нм) утворюються тривимірні нанокристаліти Ge, що відрізняються від випадку Si (100) формою й розмірами.

4. Вперше виявлено аномальну поведінку постійних ґраток Ge і Si у площині росту, що спостерігається по картинах дифракції швидких електронів в процесі формування систем проміжних шарів, коли із збільшенням мольної частки Ge у шарах усереднена постійна ґратки у твердому розчині Si_1-xGe_x зменшується, стає меншою за постійну ґратки Si на 3-5 % при х>0,3, а потім повертається до її вихідного значення, що відповідає чистому кремнію. Згідно оцінок, такі зміни параметрів ґраток Ge і Si у площині росту відповідають тиску ~8 ГПа. Такі тиски призводять до зменшення довжини зв'язку Si-Ge від 0,235 нм (для чистого Si у першому проміжному шарі) до 0,226 нм, що відповідає збільшенню щільності упакування до 10 %. На основі експериментальних даних дифракції швидких електронів, розрахунків тисків і змін хімічних зв'язків у гетеропереході Si-Ge зроблено висновок щодо можливості розмитого чи деформаційного фазового переходу.

5. Вперше за допомогою методу електронної польової емісії виявлено ефект розмірного квантування в системі нанокластерів Ge на підкладинах Si(100) і Si(111). Для всіх зразків було зафіксовано стабільну електронну низькопольову емісію (Е ~ 10⁵ В/см) з масивів КТ Ge на Si(100) і Si(111), на вольтамперних характеристиках якої спостерігалися відтворювані піки струму (від 1 до 6). Причому число цих піків було різним для систем КТ із різними геометричними параметрами і ступенем залишкових напружень в острівцевій плівці. Наявність цих піків струму пояснюється резонансним тунелюванням електронів через додаткові енергетичні рівні у потенційних ямах внаслідок ефектів розмірного квантування в системі нанокластерів Ge.

6. Зафіксовано помітну фоточутливість електронної польової емісії з багатошарових масивів КТ Ge на Si(100) при підсвічуванні поверхні, що емітує, випромінюванням з l~0,7 -10 мкм, що підтверджує квантову природу піків струму, які спостерігаються на вольтамперних характеристиках польової емісії з таких систем. Наявність фоточутливості може бути пояснена зняттям заборон на оптичні переходи, поляризовані в площині емітеру, що є наслідком зміни зонної структури під впливом напружень.

7. Чисельне моделювання напружень у системі наноострівець-поверхня у рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ показало, що величина відносної пружної деформації e майже не залежить від висоти нанокластерів і змінюється пропорційно , де L – латеральний розмір наноострівців. Результати моделювання добре узгоджуються з експериментально виміряними значеннями деформації й геометричних параметрів острівців.

Публікації автора:

1. Козирев Ю.М., Огенко В.М., Рубежанська М.Ю., Чуйко О.О. Епітаксійне формування системи квантових крапок Ge в масиві підкладини Si(100) // Доповіді НАН України.- 2002.- N1.- C. 76-78.

Здобувачем отримано системи з квантовими точками Ge на підкладинах Si(100), які розрізняються як розмірами, так і густиною розподілу по поверхні підкладини. Вперше запропоновано систему проміжних шарів Si_1-xGe_x докритичної товщини з поступовим збільшенням вмісту Ge від шару до шару, що дозволяє регулювати рівень пружних напружень у результуючій плівці, що передує формуванню острівців.

2. Dadykin A.A., Naumovets A.G., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Lytvyn P.M., Litvin Yu.M. Field and Photo-field Electron Emission From Self-Assembled Ge-Si Nanoclusters with Quantum Dots // Progress in Surface Science.- 2003.- Vol. 74.- P. 305-318.

Здобувачем показано, що для різних умов одержання систем наноострівців Ge (використанні різних систем проміжних шарів, які відповідають різним ступеням залишкових напружень у острівцевій плівці) спостерігаються різні трансформації зон і з’являється різна кількість рівнів розмірного квантування у потенційних ямах, що відповідають нанокластерам Ge, які підтверджуються появою піків струму на вольтамперних характеристиках електронної польової емісії. Досліджено склад систем проміжних шарів та розподіл Si та Ge у них за допомогою Оже-спектрометрії.

3. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Чуйко А.А. Структурные особенности эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми точками Ge на Si.- К.: 2004.- 89 с.

Здобувачем узагальнено експериментальні та розрахункові результати дослідження структури твердого розчину Si_1-xGe_x для 0х<1, а також проаналізовано особливості епітаксійного формування систем нанокластерів Ge на Si. Написано першу та частково другу і третю глави.

4. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Скляр В.К., Чуйко А.А. Термодинамические характеристики эпитаксиального роста и структурные особенности упруго-напряженных пленок Si_1-xGe_x с квантовыми точками // Cборник «Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии» под ред. академика А.П. Шпака.- 2003.- N1, вып. 1.- C. 301-312.

Здобувачем експериментально виміряно швидкості росту Si та Ge за допомогою системи “Фотон-Мікро”, розраховано потоки речовини та досліджено вплив термодинамічних параметрів епітаксійного росту на розмірні характеристики систем нанокластерів Ge, що формуються. Експериментально встановлено аномальну поведінку постійних ґраток Si та Ge у площині росту при формуванні системи проміжних шарів. Проаналізовано отримані результати та розраховано тиски, що відповідають зафіксованим деформаціям, та довжини хімічних зв'язків у гетеропереході Si-Ge.

5.

4. Дадыкин А.А., Козырев Ю.Н., Литвин П.М., Наумовец А.Г., Рубежанская М.Ю. Квантово-размерные эффекты в полевой электронной эмиссии из нанокластеров Ge на Si(111) // Наноструктурное материаловедение.- 2005.- Т. 1, N 1.- C. 11-18.

Здобувачем отримано системи нанокластерів Ge на підкладинах Si(111) з використанням систем проміжних шарів та досліджено особливості епітаксії Ge на Si(111). Встановлено двоетапний характер формування нанокластерів Ge на Si(111), коли поверхня з атомарно гладкої спочатку стає ребристою вздовж напрямку {011} з подальшим формуванням нанокластерів Ge на гранях ребер (100 нм 7 нм).

6. Dadykin A.A., Naumovets A.G., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Litvin Yu.M. Quantum dots in high electric fields: field and photofield emission from Ge nanoclusters on Si (100) // Proc. of the NATO Advanced Research Workshop on “Quantum Dots: Fundamentals, Applications, Fronties” (held in Amoudara, Crete, June 2003) Eds. B. Joyce et al.- Kluwer, Dordrecht.- 2004.- P. 353-367.

Здобувачем досліджено вплив параметрів систем проміжних шарів на геометричні характеристики нанокластерів Ge, що формуються, а також на ефекти розмірного квантування у системі, які проявляються у появі різної кількості піків струму на вольтамперних характеристиках польової електронної емісії із систем квантових точок. Показано, що різним ступеням залишкових пружних напружень у острівцевій плівці відповідають різні трансформації зон, що підтверджується збільшенням струму емісії при підсвічуванні поверхні, що емітує, випромінюванням з l~0,7 -10 мкм.

7.

5. Dadykin A.A., Kozyrev Yu.N., Litvin Yu.M., Naumovets A.G., Ogenko V.M., Rubezhanska M.Yu., Chuiko A.A. Quantum-Dimensional Effects in Field Emission from Ge-Si Nanocluster Heterostructures // 15^th International Vacuum Microelectronics Conference and 48^th International Field Emission Symposium.- Lyon (France).- July 2002.- OAG.08, SA 261.

Здобувачем отримано системи нанокластерів Ge на підкладинах Si(100) з формуванням різних систем проміжних шарів, досліджено склад систем проміжних шарів для різних зразків за допомогою Оже-спектрометрії та встановлено вплив параметрів цих систем на розміри та розподіл нанокластерів Ge, що формуються в острівцевій плівці.

8. Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Sklyar V.K. Investigation of elastic strain influence on Ge quantum dot formation in Si(SiGe) matrix // Summer School and Workshop «Nanotubes and Nanostructures».- Frascati (Italy).- September 2002.- P. 34.

Здобувачем досліджено структурні особливості твердого розчину Si_1-xGe_x при формуванні систем проміжних шарів. Встановлено вплив параметрів систем проміжних шарів на геометричні характеристики наноострівців Ge, що формуються.

9.

6. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Скляр В.К., Кадышев С., Пляцко С.В. Cтруктурные особенности упруго-напряженных пленок Si_1-xGe_x с квантовыми точками // Материалы Международной научной конференции «Пленки-2004».- Москва 2004.- C. 24-28.

Здобувачем проаналізовано особливості епітаксії напружених плівок Si_1-xGe_x та розраховано структурні параметри Si та Ge.

10. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Чуйко А.А. Термодинамика МЛЭ-роста и структурные особенности упруго напряженных пленок // Тези доповідей “Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії”.- Київ.- 2003.- С. 115.

Здобувачем досліджено вплив термодинамічних параметрів епітаксійного росту на структурні особливості пружно напружених плівок Si_1-xGe_x та на геометричні параметри систем нанокластерів Ge, що формуються в острівцевій плівці.