Самоорганизация структур. 
Наноэлектроника

При создании упорядоченных наноструктур одним из методов является образование полупроводниковых островков, осуществляемое гетероэпитаксией. Метод заключается в осаждении материала, образующего островки на подложке, состоящей из другого материала с близкой структурой и значением параметра решетки. Гетероэпитаксия широко используется как при проведении исследований, так и при промышленном изготовлении многих полупроводниковых устройств, превратившись, по существу, в хорошо развитую технологию. Она включает в себя доставку атомов или молекул к поверхности подложки, где они могут принимать участие в одном из трех процессов: а) адсорбции и диффузии по поверхности с образованием зародыша островка путем соединения с другими адатомами; б) присоединении к существующему островку; в) десорбции с испарением в окружающее пространство. Маленькие островки могут продолжать расти, мигрировать на другое место или испариться. Существует критический размер, при котором они становятся устойчивыми и больше не испытывают существенного испарения. Таким образом, есть начальная стадия формирования островков, когда их число с добавлением новых порций материала увеличивается. За ней следует вторая, в течение которой количество островков стабилизируется, а существующие островки растут в размере. Наконец, есть стадия, когда главными событиями являются объединения существующих островков друг с другом с образованием больших кластеров.

Различные стадии могут быть описаны аналитически в терминах скорости изменения:

где R_ads — скорость адсорбции; R_det — скорость отделения атомов от кластеров больших, чем пары; — скорость разрыва пар адатомов. Отрицательные члены соответствуют скорости испарения /?, скорости захвата индивидуальных адатомов кластерами R_iap и скорости образования пар адсорбоатомов 2R[. Коэффициент 2 перед R_{ и R[ обусловлен участием двух атомов в каждом процессе пары. Аналогичные выражения могут быть написаны для скорости изменения числа пар dn₂/dt и т. д. Некоторые из членов для различных скоростей R, зависят от количества вещества на поверхности, поэтому уравнение применимо, главным образом, в течение стадии нуклеации.

На второй стадии (агрегации) процент изолированных адатомов становится незначительным, и рассмотрение в терминах свободной энергии может обеспечить некоторое понимание процесса формирования островка.

Рассмотрим плотность свободной энергии Гиббса g^.^ плотность свободной энергии gsur-iau между поверхностью и слоями адатомов и плотность свободной энергии g_luy__vac между этими слоями и вакуумом. Они связаны с полной плотностью свободной энергии Гиббса соотношением.

где 8 — доля закрытой поверхности. При формировании и росте островков относительные вклады этих членов постепенно изменяются, и процесс роста развивается таким образом, чтобы обеспечить минимизацию свободной энергии. Этот подход может использоваться и для определения давления, которое возникает из-за различия между свободной энергией открытой поверхности g_sur._mc и слоев (g_sur.,_ay + gtay-wc) И является движущей силой процесса, контролирующего потоки адатомов на поверхности:

При выполнении условия g_mr._mc > (g_sur__lay + g_tay._mc) добавление адатомов увеличивает г и, следовательно, вызывает уменьшение свободной энергии. Таким образом, адсорбирующиеся адатомы имеют тенденцию оставаться непосредственно на открытой поверхности, что приводит к горизонтальному росту островков и возможному образованию монослоя. Рассеивающее давление p_s в этом случае положительно и вносит вклад в распространение адатомов по поверхности (режим роста Франка — Ван дер Мерве).

При выполнении противоположного условия.

рост доли покрытия поверхности е увеличивает свободную энергию, так что быть топким и плоским для адсорбируемого слоя становится термодинамически невыгодным. Вновь добавляемые атомы поддерживают свободную энергию на низком уровне путем присоединения к вершинам существующих островков, что приводит к их вертикальному, а не горизонтальному росту (режим роста Вольмера — Вебера).

Выше уже упоминалось, что гетероэнитаксия используется для выращивания островков и пленок, атомарная структура которых близка к структуре подложки. Доля / несоответствия между кристаллическими решетками островков и субстрата задается выражением

где а₍ — постоянная решетки островка или пленки; a_s — постоянная решетки подложки. Для маленьких несоответствий (J< 2%) при росте пленки, состоящей из многих последовательных слоев друг на друге, возникающая деформация невелика. Если несоответствие превышает 3%, то первый слой заметно деформирован, а при добавлении следующих слоев деформация растет. В конечном счете вне переходной области деформация спадает, и толстые пленки оказываются деформированными только в пограничной области вблизи подложки. Это несоответствие благоприятствует росту трехмерных островков, что отчасти компенсирует напряжения и способствует понижению свободной энергии (режим роста Странски — Крастанова).

Альтернативным методом формирования наноструктур являются процессы самоорганизации на поверхности. На рис. 4.15 самоорганизовалась.

а — СТМ-изображение (465X350 Л) массива нанокластсров Al; 6 — схема атомной структуры получившихся «магических» кластеров, состоящих из шести атомов металла (серые кружки) и соединенных через три атома кремния^[1]

суперрешетка из нанокластеров А1 на поверхности Si (111) 7×7. Каждый кластер состоит из шести атомов А1, связанные друг с другом с помощью трех атомов Si. Формирование происходило напылением на поверхность кремния при температуре 575 °C. Все нанокластеры идентичны и состоят из шести атомов А1. Такие кластеры называют «магическими», потому что число атомов в них равно некоторому числу. Это число называется «магическим», и именно оно позволяет создать упорядоченную периодическую структуру.

В системах Ge—Si/Si (100), например, выращенных методом молекулярнолучевой эпитаксии, были получены самоорганизующиеся квантовые кольца. Внешний диаметр колец составлял порядка 300 нм, высота — до 4 нм. Помимо колец на поверхности структуры содержатся квантовые точки.

Заметим, что процессы самоорганизации и самосборки являются основой процессов стратегии «снизу-вверх».

• [1] Источник: Ролдугин В. И. Кванторазмерные металлические коллоидные системы // Успехи химии. 2000. № 69 (10).