Введение к работе
Актуальность темы
Полупроводниковые наноструктуры пониженной размерности, в том числе нитевидные нанокристаллы (ННК) и гибридные структуры на их основе, являются объектами интенсивного научного исследования. Интерес к полупроводниковым ННК связан с перспективами их применения в наноэлектронике, нанофотонике и наносенсорах [1-3]. Ограничение латеральных размеров полупроводниковых ННК приводит к проявлению интересных физических свойств, которые не наблюдаются в объемных материалах.
Одним из способов синтеза наноструктур с характерными размерами менее 100 нм является нанолитография [4], которая требует дорогостоящей обработки поверхности и может приводить к появлению структурных дефектов. Нитевидные нанокристаллы, выращиваемые по механизму «пар-жидкость-кристалл» (ПЖК) или по механизму самоиндуцированного роста без привлечения методов постпроцессинга [5] имеют, как правило, более высокое структурное совершенство при существенно более низких затратах на изготовление.
Важным направлением исследований в области физики ННК является интеграция оптических полупроводниковых наногетероструктур (в первую очередь АЗВ5) на кремниевую платформу [6]. Ввиду малых латеральных размеров, бездислокационные ННК могут быть выращены на подложках с большим рассогласованием решеток, что является одним из перспективных способов интеграции опто- и микроэлектроники [7,8].
Известно, что формирование большинства АЗВ5 ННК сопровождается явлением неконтролируемого политипизма кристаллической фазы вюрцит-сфалерит [9], приводящим к образованию дефектов упаковки. На настоящий момент не получен окончательный ответ на вопрос о причинах данного явления, и не до конца разработаны подкрепленные теорией методики контроля кристаллической структуры АЗВ5 ННК. Как показал эксперимент, замена металлического катализатора роста GaAs ННК с Аи на Ga позволяет не только
избежать нежелательного проникновения Аи в объем или на боковую поверхность ННК [10], но и подавить явление неконтролируемого политипизма [11]. В первой части работы мы исследуем вопрос об устойчивости капли на верхней грани ННК в зависимости от поверхностных энергий материала катализатора, что важно как для лучшего понимания самокаталитического ПЖК роста АЗВ5 ННК, так и для контроля их кристаллического совершенства. Определены возможные режимы роста по механизму ПЖК, приводящие к принципиально различным конфигурациям капли и сценариям формирования кристаллической структуры.
Классические теории рассматривают рост ННК постоянного радиуса, пренебрегая встраиванием атомов ростового материала на боковой поверхности ННК [12]. Однако, во многих случаях ННК испытывают латеральное уширение в процессе роста, то есть растут не только вертикально, но и радиально [13]. Данный эффект требует теоретического исследования, поскольку получение массивов ННК заданной морфологии - важнейшая технологическая задача. В данной работе мы теоретически исследуем латеральный рост и морфологию ННК, формирующихся по механизму ПЖК, а также в отсутствие металлического катализатора.
Огромный интерес с точки зрения оптоэлектроники и наноэлектроники представляют гетероструктурные ННК различного типа [14]. Недавно был синтезирован новый перспективный вид гибридных наноструктур: в ходе роста радиальной ("core-shell") решеточно-рассогласованной гетероструктуры GaAs/InAs на боковой поверхности GaAs ННК образовались квантовые точки (КТ) [15]. В данной работе мы теоретически исследуем эффект образования КТ при росте гетероструктурных ННК в геометрии "core-shell".
Основной целью работы является моделирование процессов роста и морфологии полупроводниковых нитевидных нанокристаллов, конфигураций капель катализатора при росте по механизму «пар-жидкость-кристалл» и формирования квантовых точек на боковой поверхности нитевидных нанокристаллов.
Задачами работы являются:
Теоретические исследования морфологии капель катализатора и различных режимов роста нитевидных нанокристаллов по механизму «пар-жидкость-кристалл».
Теоретические исследования морфологии нитевидных нанокристаллов, полученных по механизму «пар-жидкость-кристалл», а также в отсутствие катализатора.
Теоретические исследования роста рассогласованной тонкой пленки на боковой поверхности нитевидного нанокристалла («core-shell» рост) и образования квантовых точек.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые исследована устойчивость капли катализатора при росте нитевидного нанокристалла по механизму «пар-жидкость-кристалл».
Описано латеральное уширение нитевидных нанокристаллов в предположении пропорциональности скорости радиального роста концентрации адатомов на боковой поверхности нитевидного нанокристалла.
Теоретически исследован рост нитевидных нанокристаллов методом сублимации с близкого расстояния.
Впервые рассмотрен рост полупроводниковых нитевидных нанокристаллов в отсутствие катализатора, в предположении нестационарной неоднородной концентрации адатомов на верхней грани.
Разработана новая теоретическая модель формирования квантовых точек на боковой поверхности нитевидного нанокристалла.
Подтверждение достоверности результатов
В работе использованы апробированные теоретические методики.
Проведено сравнение с экспериментальными результатами, получено соответствие.
Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:
Получено выражение, определяющее конфигурацию капли при росте по механизму «пар-жидкость-кристалл» в зависимости от поверхностных энергий, которое может быть использовано при подборе оптимального катализатора для синтеза бездефектных нитевидных нанокристаллов.
Ростовые модели, описывающие одновременно вертикальный и латеральный рост нитевидных нанокристаллов, позволяют управлять их морфологией, а также определять значения важных кинетических параметров из сопоставления с экспериментальными данными.
Аналитические выражения, описывающие рост нитевидных нанокристаллов CdTe по методу сублимации с близкого расстояния, позволяют контролировать морфологию за счет изменения условий осаждения.
Предложена модель, описывающая формирование InAs квантовых точек на боковой поверхности GaAs нитевидных нанокристаллов по механизму, существенно отличающемуся от двумерного роста Странского-Крастанова, и позволяющая контролировать плотность и пространственное распределение квантовых точек.
Положения, выносимые на защиту:
1. Существуют две моды роста нитевидных нанокристаллов по механизму
«пар-жидкость-кристалл»: смачивающая и несмачивающая. Положение капли
катализатора соответствует минимуму поверхностной энергии системы и
зависит от материала катализатора. Невозможно достижение минимума
энергии в промежуточных конфигурациях.
2. При росте GaAs нитевидных нанокристаллов с Аи катализатором
сферической геометрии наблюдается два минимума поверхностной энергии,
разделенные энергетическим барьером. Таким образом, всегда имеется
локальная устойчивость капли на вершине. При использовании Ga катализатора
минимум энергии всегда соответствует смачивающей конфигурации капли.
3. При росте нитевидных нанокристаллов по каталитическому механизму
«пар-жидкость-кристалл» за счет поверхностной диффузии возможны
различные типы геометрии: конусообразная, выпуклая с уширением к центру и
цилиндрическая, в зависимости от условий эпитаксиального процесса.
4. Разработанная теоретическая модель роста самоиндуцированных
нитевидных нанокристаллов хорошо описывает экспериментально
наблюдаемую уширяющуюся от основания к верхней грани форму кристаллов
GaN, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности
кремния.
5. В случае роста квантовых точек на боковой поверхности нитевидного
нанокристалла критическая толщина смачивающего слоя зависит от радиуса.
Если радиус меньше определенного критического значения, формирование
квантовых точек происходит без образования смачивающего слоя. При
увеличении радиуса осуществляется классический механизм Странского-
Крастанова. Значение радиуса, при котором критическая толщина обращается в
ноль, в системе материалов InAs/GaAs равна примерно 120 нм.
6. Эффект неоднородного покрытия боковой поверхности GaAs
нитевидного нанокристалла квантовыми точками InAs объясняется
неравномерным распределением осажденного InAs по длине, а также
зависимостью критической толщины от радиуса. При малых радиусах боковая
поверхность покрывается полностью, с уменьшением плотности квантовых
точек от основания к вершине. При больших радиусах существует критическая
длина, по достижении которой плотность квантовых точек обращается в ноль.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты, полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор лично выдвигал идеи и гипотезы, предлагал пути решения поставленных задач. Автор самостоятельно проводил теоретический анализ и исследовал построенные теоретические модели численно.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
XVI Международный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, 12-16 марта 2012.
6th Nanowire Growth Workshop, Санкт-Петербург, 4-6 Июня 2012.
20ьш Международный Симпозиум «Nanostructures: Physics and Technology». Нижний Новгород, 24-30 июня 2012.
4th International Symposium on Growth of Ill-Nitrides. Санкт-Петербург, 16-19 июля 2012.
Международная Конференция "Nanomeeting 2013". Минск, Беларусь, 28-31 мая 2013.
7th Nanowire Growth Workshop, Лозанна, Швейцария, 10-12 июня 2013.
21ьш Международный Симпозиум "Nanostructures: Physics and Technology" Санкт-Петербург, 24-28 июня 2013.
International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW 2013), Карджез, Корсика, Франция, 19-30 августа 2013.
5th Int. Conference on One-Dimensional Nanomaterials (iCON 2013), Анси, Франция, 23-26 сентября 2013.
Также результаты работы докладывались на научном семинаре в Санкт-Петербургском Академическом университете.
Публикации. Основные результаты изложены в 17 печатных работах, в том числе в 7 научных статьях в журналах, входящих в перечень ВАК и 10 материалах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы и заключение.
