Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
поперечных размеров. Данный факт был экспериментально подтвержден методом травления кристаллов: в местах выхода дислокаций обнаруживаются так называемые "ямки" (плоскости) травления. Наблюдается рост числа дислокаций с увеличением диаметра ННК. Число дислокаций в металлических кристаллах, диаметр которых более 5 мкм, может достигать от нескольких единиц до нескольких сотен. При увеличении поперечных размеров выше 10 мкм вероятность нахождения дислокаций в кристаллах резко возрастает. Меняется и характер распределения ямок травления: появляются скопления ямок, они группируются и образуют, в конце концов, сплошные линии.
Причин высокого совершенства структуры ННК несколько. Во-первых, отсутствие в методе ПЖК контакта кристаллизуемого вещества со стенками формообразователя или тигля, как в других известных способах выращивания кристаллов, способствует обеспечению совершенства структуры образующихся ННК. Во-вторых, поскольку капля катализатора ограничивает под собой размеры ростовой площадки и обеспечивает рост нитей с большим аспектным отношением длина/диаметр в направлениях, соответствующих малым кристаллографическим индексам, субмикро- и наномасштабные размеры кристаллизационной площадки под каплей катализатора и кристаллографические направления роста ННК <111> и <100>, например Si, способствуют выводу на начальной стадии роста из объема кристалла возникающих или прорастающих из подложки дислокаций, располагающихся под углом к оси роста (для Si(111) 19,5°) (рис.
2.17 и 2.18).
76
а) |
б) |
Рис. 2.17. ПЭМ-изображение ННК Si с кристаллографической ориентацией <100>, выращенного на кремниевой подложке {100} темплатным методом, (а) и его увеличенное изображение (б)
Дислокации выходят из кристалла в его основании на боковую поверхность. Чем тоньше кристалл, тем эффективнее из него выходят дислокации, и обеспечивается совершенство структуры основной части кристалла. Именно по этой причине наблюдается размерная зависимость прочности ННК. В отличие от ННК, быстрый выход дислокаций из объема массивного материала, в том числе и из протяженных эпитаксиальных пленок, затруднен и практически невозможен.
В-третьих, капля катализатора контролирует последовательную, упорядоченную генерацию ступеней от границы раздела трех фаз одновременно по всему периметру смачивания. Если представить, что на одном участке периметра смачивания будет происходить выделение кристаллических слоев более быстрыми темпами в сравнении с другими участками, то это приведет к увеличению длины периметра смачивания и отдалению формы капли от идеальной сферической, связанной с минимальной свободной поверхностной энергией αGL. Возрастание площади поверхности капли приведет к возрастанию свободной
77
энергии границы жидкость/пар. Процесс энергетически невыгодный. Поэтому на данном участке контура за счет уменьшения выделения избыточной энергии каплей при ее сфероидизации на вершине ННК кристаллизация будет заторможена до выравнивания скоростей отложения слоев по всему контуру, что обеспечивает последовательное и упорядоченное отложение кристаллических слоев под каплей, что является залогом высокого совершенства структуры ННК.
Рис. 2.18. ПЭМ-изображение ННК Si диаметром 4 нм, высотой 6,5 нм и кристаллографической ориентацией <111>, выращенного на кремниевой подложке {111} темплатным методом
Наряду с выходом дислокаций из кристалла в его основании высокое аспектное отношение и малые размеры кристаллизационных площадок наномасштабных ННК позволяют обеспечить эффективную релаксацию напряжений, возникающих в объеме нанопроволочного материала, что дает возможность создавать аксиальные гетероструктуры. ННК являются весьма пер-
78
спективными объектами для формирования бездислокационных (когерентных) не напряженных гетероструктур (рис. 2.19).
Аксиальные гетероструктуры ННК, в которых кристаллический материал изменяется в направлении роста, получают как обычно с участием каталитических частиц. Эффективная релаксация напряжений, наблюдающаяся в тонких ННК, позволяет выращивать комбинации материалов с некогерентными решетками.
а) б)
Рис. 2.19. РЭМ-фотография ННК гетероструктуры InSb-InAs < 111 >, выращенные на подложке InAs(111)B, (а) и ПЭМизображение (JEOL 3000F (300 кВ)) гетероструктуры Si-Ge <111> диаметром 16 нм (б)
Известно, что структура твердых тел в приконтактных областях существенно зависит от кристаллографических и энергетических особенностей контактирующих плоскостей. Эпитаксиальный контакт между фазами энергетически наиболее выгоден. При несоответствии параметров кристаллических решеток соседних фаз в объеме наращиваемого компонента накапливаются упругие напряжения, энергия которых увеличивается с ростом толщины слоя этого компонента. При достижении некоторой
79
критической толщины hc сплошной слой разрушается и на границе раздела образуется сетка дислокаций несоответствия. В ННК малого диаметра межфазные упругие напряжения могут легко аккомодировать. Это задерживает образование дислокаций несоответствия в гетероструктурном материале и позволяет технически увеличивать размеры запрещенной зоны. При этом запрещенная зона в энергетическом спектре полупроводника может настраиваться (изменяться) локально вдоль длины нанокристалла, давая совершенно новые, альтернативные подходы к оптимизации приборных устройств, например, позволяя формировать туннельно-барьерные и квантово-ограниченные структуры ННК.
Был проведен расчет критической толщины hc формирования дислокаций несоответствия в гетероструктурных ННК осевого типа в зависимости от радиуса r кристалла и рассогласования решеток ε0 был проведен в работе с использованием некоторых гипотез из работ. Полученные результаты можно сформулировать следующим образом:
—для заданного рассогласования ε0 критическая толщина hc увеличивается при уменьшении радиуса ННК;
—при r→∞ значение hc переходит в критическую толщину для двумерных пленок;
—критическая толщина обращается в бесконечность при
некотором критическом радиусе rc (ε0), уменьшающемся при увеличении ε0.
Последний результат означает, что при данном значении ε0 существует критический радиус ННК, ниже которого возможно выращивание когерентных слоев бесконечной толщины.
Теоретические кривые на рис. 2.20 описывают эффект воз-
растания критической толщины hc в результате релаксации упругих напряжений на боковой поверхности ННК. На рис. 2.20 также приведены некоторые экспериментальные результаты по
80