Рост наноструктур на фасетированных поверхностях

Фасетирование поверхности кристалла представляет собой образование микроскопически упорядоченных «холмов и канавок» на поверхности, которые имеют определенный период повторения. На поверхности образуется система наклонных к исходной поверхности кристаллических граней. Пересечение соседних граней дает в результате или острое кристаллическое ребро, или узкую закругленную область поверхности, профиль такой структуры напоминает зубья пилы (Рис. 3.3).

Рис. 3.3. Периодически фасетированная поверхность.

Причиной спонтанного фасетирования является зависимость свободной энергии поверхности от ориентации этой поверхности относительно кристаллографических осей. Если плоская поверхность имеет большую удельную поверхностную энергию, то она спонтанно трансформируется в структуру «холмов и канавок». Это уменьшает полную свободную энергию поверхности, несмотря на увеличение ее полной площади. Результирующая холмистая структура определяется минимумом поверхностной свободной энергии.

Атомы на поверхности находятся в ином окружении, чем атомы в объеме, а равновесное расстояние между поверхностными атомами отличается от равновесного расстояния между атомами в объеме. Поэтому поверхность кристалла можно рассматривать как упругонапряженный слой, в котором присутствуют поверхностные напряжения. В результате упругая энергия кристалла имеет как объемную, так и поверхностную составляющие и в условиях механического равновесия между объемом и поверхностью возникает отличная от нуля деформация поверхности и приповерхностной области кристалла. Образование холмистой структуры поверхности приводит к капиллярным явлениям, аналогичным лапласову давлению под искривленной поверхностью жидкости. Полную свободную энергию периодически фасетированной поверхности в расчете на единицу площади первоначально плоской поверхности можно записать в виде

E=E_пов+E_реб+ΔE_упр

где E_пов - поверхностная свободная энергия наклонных граней (от периода повторения «холмов и канавок» D не зависит);

- короткодействующая составляющая энергии ребер;

- упругая энергия релаксации, которая появляется благодаря образованию ребер и скачку тензора собственных поверхностных напряжений на кристаллическом ребре (а — постоянная решетки). Упругая энергия релаксации имеет отрицательный знак и, уменьшая полную свободную энергию поверхности, способствует образованию периодической фасетированной структуры на поверхности с некоторым оптимальным периодом D_опт.

Фасетированные структуры наблюдались на поверхностях с большими индексами Миллера в GaAs{(311) и (775)}, Si(211), на низкоиндексных поверхностях ТаС(110), Ir(110). Важным частным случаем фасетирования поверхности является фасетирование вицинальных поверхностей. Вицинальная поверхность — это поверхность, расположенная под небольшим углом к кристаллической поверхности с малыми индексами Миллера. Обычно такая поверхность является атомно-гладкой. В равновесных условиях (например, после длительного отжига) вицинальная поверхность кристалла состоит из плоских террас, образованных поверхностями с малыми индексами Миллера и разделенных эквидистантными моноатомными или мономолекулярными ступенями. Из-за эффекта «складывания» ступеней (step-bunching), который усиливается по мере увеличения угла разориентации, соседние террасы разделяются равными ступенями высотой в несколько моноатомных слоев (Рис. 3.4). Такие ступени и террасы наблюдались на вицинальных поверхностях, рассогласованных на небольшой угол в Si(111), GaAs{(001) и (100)}, Pt(100). Высота ступеней на вицинальной поверхности GaAs(100) составляет от 7 до 15 монослоев. Обычно ступени имеют оптимальный период распространения по одному из направлений вдоль поверхности, а по другому направлению ступени отсутствуют.

Рис. 3.4. Фасетирование на вицинальной поверхности.

Это создает линейчатую структуру поверхности. Однако при некоторых направлениях разориентации, в частности при разориентации поверхности GaAs(001) в направлении [010], ступени распространяются по двум направлениям: [110] и []. Пересечение ступеней формирует на поверхности сеть террас, ограниченных со всех четырех сторон.

Периодически фасетированные поверхности дают возможность для прямого получения упорядоченных массивов квантовых проволок, когда рост осаждаемого материала происходит в «канавках», и квантовых точек, если рост происходит на ограниченных во всех направлениях террасах. Как показывает анализ возможных режимов роста, тип растущей структуры определяется тем, смачивает ли осаждаемый материал фасетированную подложку или нет. Возможные варианты структур приведены на Рис. 3.5.

Рис. 3.5. Возможные гетероэпитаксиальные структуры на фасетированной поверхности. 1 — материал подложки; 2 — осажденный материал.

Если осаждаемый материал смачивает фасетированную подложку, тогда образуется однородное покрытие (рис. 3.5, а). Примером является AlAs, осаждаемый на вицинальную поверхность GaAs(001). Если осаждаемый материал не смачивает подложку, то изолированные кластеры осаждаемого материала образуются в «канавках» периодически фасетированной поверхности (рис. 3.5, б, в).

Такая ситуация реализуется при осаждении GaAs на вицинальную поверхность AlAs{(001) и (311)} и AlAs на GaAs(311). Эксперименты показали возможность прямого получения изолированных кластеров GaAs на AlAs с последующим заращиванием их слоем AlAs и образованием квантовых нитей. При большой толщине покрытия «холмы» на поверхности осаждаемого материала образуются над «канавками» подложки. В результате возникает непрерывный слой с модуляцией толщины (Рис. 3.5,г). На этой основе возможно создание квантовой ямы с модулированной шириной.

Для террас, ограниченных со всех сторон на фасетированной поверхности, возможно получение квантовых точек, поскольку адсорбированные на террасе атомы встраиваются преимущественно в углы террас, примыкающие к вышележащим террасам. Так, например, получены квантовые точки InAs на вицинальной подложке GaAs(001), разориентированной в направлении [010].

Дата добавления: 2014-01-11