Краткий отчёт РФФИ за 2016 год (14-02-00776а)
Формирование наноструктур А3В5 по механизму пар-жидкость-кристалл
Используя предложенную на предыдущих этапах проекта Монте-Карло (МК) модель формирования наноструктур на основе соединений А3В5, изучалось преобразование поверхности подложек во время высокотемпературных отжигов.
Высокотемпературный отжиг в равновесных условиях
Из согласования модельной и экспериментальной температурной зависимости равновесного давления In и As2 над раствором-расплавом индия проведена оценка энергии активации десорбции In и As2. Энергия десорбции жидкого индия включает в себя энергии ковалентных связей, определяющих поверхностное натяжение капли, и барьер на сублимацию жидкого индия. Десорбция молекулярного мышьяка зависит от энергий связи As2 поверхностью жидкости, барьера на сублимацию молекулы, и концентрации As2 на поверхности. Поверхностная концентрацией молекулярного мышьяка, в свою очередь зависит от энергий растворения и диффузии атомарного мышьяка в жидком индии и энергий активации реакций диссоциации и образования As2.
Ленгмюровское испарение InAs
Поверхность (111)А | Поверхность (111)В |
T = 660 К |
T = 640 К |
Конгруэнтное испарение |
|
T = 680 К |
T = 660 К |
Неконгруэнтное испарение |
|
Длина террас L = 40 нм |
При конгруэнтном испарении наблюдалось послойное испарение, сопровождающееся движением ступеней, при этом скорости десорбции мышьяка и индия были одинаковы.
При высоких температурах (Т > Тс) испарение мышьяка интенсивнее, чем испарение индия, избыточный индий собирается в капли.
Разные значения температуры конгруэнтного испарения Тс на поверхностях InAs(111)А и InAs(111)В: Тс(111)А > Тс(111)В
InAs(111)B
|
[S. Kanjanachuchai, P. Photongkam, J.Cryst. Gr. Des. 2015, 15, 14-19] |
Зависимость температуры конгруэнтного испарения от ширины и длины террасы
Длина террас - L |
Зависимость температуры конгруэнтного испарения от концентрации поверхностных дефектов (бислойных вакансионных островков)
nisl - плотность бислойных вакансионных островков |
Ленгмюровское испарение GaAs
T = 950 К
GaAs(111)A |
GaAs (111)В |
- На поверхности GaAs[111]A образуется шероховатый след после капли
- На поверхности GaAs[111]B след после движения капли не образуется
Энергии активации десорбции Ga и As2 при отжиге материала в равновесных условиях составили Edes(Ga) = 2.6 эВ, Edes(As2) = 4.1 эВ, соответственно, что согласуется с литературными данными.
Зависимость Тс от ширины террас должна наблюдаться в реальных экспериментах по отжигу вицинальных подложек.
Наличие вакансионных островков на поверхности приводит к возрастанию концентрации адатомов индия и, следовательно, повышает вероятность образования капли. Поэтому, при рассмотрении идеальной модельной поверхности, получаемая температура конгруэнтного испарения будет несколько завышена.
Самокаталитический рост InAs ННК
Эффект выравнивания капель в процессе самокаталитического роста ННК
МК моделирование |
Размеры всех капель растут со временем, так как радиусы всех исходных капель меньше критического радиуса Rc.
Зависимость объема капли In от времени роста для разных размеров исходных капель
до роста ННК | t = 38 с |
Самая маленькая капля исчезает в процессе роста из-за дефицита индия, возникшего благодаря присутствию рядом большой капли.
Изменение размера одиночной капли в процессе роста
Рост одиночного ННК
В модели концентрация As в капле зависит о соотношения между вероятностями распада As2 и диффузии As2 по поверхности капли. Если λAs2 длина диффузии As2 по поверхности жидкого индия сравнима с диаметром капли, то заметная доля As2 покидает поверхность капли. Для больших и малых капель это доля различна.
Эффект самовыравнивания
Формирование наноколец методом капельной эпитаксии
Технология капельной эпитаксии представляет собой последовательное осаждение методом МЛЭ элементов III и V группы. При формировании GaAs наноструктур на поверхность GaAs, сначала осаждается Ga, что приводит к формированию капель, а затем, для их кристаллизации осаждается только мышьяк.
Методом капельной эпитаксии получают наноструктуры GaAs с самой разной морфологией. Причем, форма кристаллических структур определяется температурой и давлением мышьяка в ростовой камере.
T=600 K, FAs2 = 0.1 МС/с, d0 = 20 нм, L = 80 нм
Результаты моделирования одиночного кольца согласуются с экспериментом [T. Mano, T. Kuroda, S. Sanguinetti, T. Ochiai, T. Tateno, J. Kim, T. Noda, M. Kawabe, K. Sakoda, G.Kido, N. Koguchi. Nano Lett., 5, 425-428 (2005)].
Одиночные и двойные кольца формируются в едином ростовом процессе при постоянных температуре и давлении мышьяка.
В ходе выполнения проекта проанализированы процессы ответственные за формирование кольцевых структур и описаны условия необходимые для создания двойных колец.
Зависимость морфологии наноколец от расстояния между каплями
Moдельная система L>>W Для уменьшения времени вычислений модельная поверхность была выбрана в виде узкой полоски, содержащую по центру каплю галлия. |
|
Скорость нарастания материала в системе с избытком галлия определяется скорость поступления мышьяка. Наличие As-стабилизированной области на подложке обеспечивает дополнительный сбор мышьяка на границу между Ga- и As-стабилизированными поверхностями.
Зависимость морфологии нанокольца от интенсивности потока
При низких потоках диффузионная длина галлия велика и поэтому образуется только одно кольцо. С увеличением интенсивности потока уменьшается длина диффузии галлия и это приводит к формированию двойного кольца. Дальнейшее увеличение потока приводит к слиянию внешнего и внутреннего колец.
Был проведен анализ кинетики формирования одиночного кольца в условиях, когда расстояние между каплями чуть больше удвоенной длины диффузии галлия по поверхности. Сразу после включения потока мышьяка сначала зарождалось внутреннее кольцо вдоль тройной линии и происходил рост пленки GaAs на расстоянии, равном длине диффузии галлия, определяемой внешним потоком мышьяка. Остальная часть поверхности становилась As-стабилизированной. Со временем уменьшался размер галлиевой капли, что приводило к увеличению площади As-стабилизированной поверхности, и увеличению диффузионного сбора мышьяка с подложки ик уменьшению ldifGa, то есть длина диффузии галлия постепенно уменьшалась со временем, что сдвигало внешнее кольцо в направлении к капле.
Влияние температуры на морфологию наноструктур
Структура ядро-оболочка наблюдалось экспериментально [Reyes K., Smereka P., Nothern D., Millunchick J. M., Bietti S., Somaschini C., Sanguinetti S., Frigeri C. Phys. Rev. B. 87, 165406 (2013)].
Изменять соотношение между L и l можно не только потоком мышьяка, но и температурой. Так как диффузионные характеристики галлия экспоненциально зависят от температуры, то даже небольшое изменение температуры приводит к заметному изменению морфологии наноструктуры. Видно, что при понижении температуры с 600 K до 500 K вместо двойного кольца формируется структура ядро-оболочка.
Tройные концентрические нанокольца
Изменение температуры либо потока мышьяка в процессе кристаллизации капель позволяет формировать несколько колец, больше двух.
Таким образом, было продемонстрировано, что тип формируемых колец зависит от длины диффузии галлия по поверхности (ldiff_Ga), определяемой температурой и потоком мышьяка и расстоянием между каплями.
Список публикаций по проекту в 2016 г:
- М. А. Василенко, А. Г. Настовьяк, И. Г.Неизвестный, Н. Л. Шварц, Изучение процесса формирование наноструктур А3В5 методом капельной эпитаксии (Монте-Карло моделирование), Автометрия, Т.52, №5, С. 111-121 (2016).
- A.G. Suprunets, M.A. Vasilenko, N.L. Shwartz. Self-catalyzed GaAs and InAs nanowire growth (Monte Carlo simulation). J. Phys.: Conference Series. V. 690. p. 012011 (2016).
- N. Shwartz, M. Vasilenko, M. Nesterenko, I. Neizvestny. Analysis of GaAs nanostructure formation according to vapor-liquid-solid mechanism. Proceedings of International Conference Nanomeeting - 2015. “Physics, Chemistry and Application of Nanostructures” Minsk, Belerus, 26–29 May, 2015, p.334-337.
- A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, A.G. Suprunets, N.L. Shwartz. Peculiarities of self-catalyzed growth of dense InAs nanowire array - Monte Carlo simulation . Proceedings of the 24th Int. Symp. “Nanostructures: Physics and Technology” St.Petersburg, Russia, June 27–Yuly 1, 2016, p.53-54. Published by St.Peterburg Academic University, 2016, ISBN 978-5- 7422-5323-5.
- M. A. Vasilenko, Nataliya L. Shwartz. Monte Carlo Simulation of GaAs Nanorings Formation by Droplet Epitaxy. 17th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM 2016: Conference Proceedings, 2016, June 30–Yuly 4, 2016, ISBN 978-1-5090-0785-1, р.3-7.
- Настовьяк А.Г., Спирина А.А., Шварц Н.Л. Моделиорование процесса Ленгмюровского испарения InAs методом Монте-Карло. VII Международная научная конференция «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2016, 22-25 ноября 2016 г. Минск, НПЦ НАН Беларуси по материаловедению. сб. докл. С.217_219. :2016). В3 т. Т.1. / ГНПО «ГНПЦ НАН Беларуси по материаловедению»; ред. колл.: Н.М. Олехнович [и др.]. – Минск : Ковчег, 2016. –278 с. ISBN 978-985-7162-48-2.
- А. А. Спирина, Алла Г. Настовьяк, Наталия Л. Шварц. Моделирование процессов отжига подложек InAs методом Монте-Карло. Труды 1-й ежегодной российской национальной конференции по нанотехнологиям, наноматериалам и микросистемной технике. НМСТ-2016, Седова Заимка, Новосибирск, 26-29 июня 2016, Изд-во НГТУ, ISBN: 978-5-7782-2849-8, С.33-37.
- А. Г. Супрунец, Наталия Л. Шварц . Монте-Карло Моделирование эффекта выравнивания диаметров нитевидных нанокристаллов InAs в процессе самокаталитического роста. Труды 1-й ежегодной российской национальной конференции по нанотехнологиям, наноматериалам и микросистемной технике. НМСТ-2016, Седова Заимка, Новосибирск, 26-29 июня 2016, Изд-во НГТУ, ISBN: 978-5-7782-2849-8, С. 29-32.
- N.L.Shwartz, M.A. Vasilenko, A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny. Kinetic Monte Carlo simulation of droplet epitaxial GaAs nanorings growth. E-MRS Fall Meeting, 19-22 Sept/ 2016. Abstracts, Symposium U, Computer modelling in nanoscience and nanotechnology: an atomic-scale perspective IV | EMRS, U.2.3, http://www.european-mrs.com/computer-modelling-nanoscience-and-nanotechnology-atomic-scale-p)
- Н.Л. Шварц. Механизмы формирования наноструктур AIIIBV. Материалы 15-й Международной научной конференции-школы «Материалы нано- микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» Саранск, 11 октября–14 октября 2016 г.- Саранск: Изд.-во Мордов.ун-та, 2016. – 228 с., с.24. ISBN 978-5- 7103-3275-7.
- А.А. Спирина, А.Г. Настовьк, Н.Л. Шварц. Моделирование процесса отжига полупроводников AIIIBV методом Монте-Карло. 18-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 28 ноября– 2 декабря 2016 г. С. 26. Тезисы докладов — Изд. Политехнического университета. СПб, 2016, Тезисы докладов — Изд. Политехнического университета. СПб, 2016, 146 с., С. 42.
- Анна А. Спирина, Алла Г. Настовьяк, Наталья Л. Шварц. Моделирование процессов отжига подложек арсенида индия в равновесных и неравновесных условиях методом Монте-Карло. Тезисы докладов Шестой Всероссийской конференции по наноматериалам. НАНО 2016, Москва, 22-25 ноября 2016г., С. 200-201. Сборник материалов – М.: ИМЕТ РАН, 2016, 688с