WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 12 Атомная структура нитевидных нанокристаллов GaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии © И.П. Сошников,, Г.Э. Цырлин,,, А.А. Тонких,, Ю.Б. Самсоненко,,, В.Г. Дубровский,, В.М. Устинов,, О.М. Горбенко, D. Litvinov, D. Gerthsen Научно-образовательный комплекс „Санкт-Петербургский физико-технический научно-образовательный центр Российской академии наук“, 195220 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия Technical University of Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe, Germany E-mail: ipsosh@beam.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 28 декабря 2004 г.) Проведено исследование структурных свойств нитевидных нанокристаллов GaAs и Al0.3Ga0.7As, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Продемонстрировано образование в исследуемых материалах гексагональных структур типа вюрцит и 4H-политип с характерными размерами до 100 nm и более. Сделан вывод о влиянии на образование гексагональной структуры симметрии активационного сплава Au–Ga.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Г.Э.Ц. выражает признательность Alexander von Humboldt Schtiftung, A.A.T. благодарит Deutsche Forschungsgemeinschaft.

В последнее время нитевидные нанокристаллы поперечного размера D: V (A - B/D)2, где A и B — (ННК) [1] привлекают особое внимание исследователей, параметрические константы. Кроме того, в нескольких что объясняется как свойствами ННК, так и появив- работах [3–5,25,26] реализован рост НК методом МПЭ, который протекает преимущественно по диффузионношимися новыми технологическими возможностями их му механизму [25,26], отличающемуся поступлением получения, в частности методом молекулярно-пучковой атомов в зону роста ННК (граница между НК и актиэпитаксии (МПЭ) [2–9]. В качестве наиболее важных вационой каплей сплава) в результате поверхностной свойств объекта [10–17] следует указать высокую прочдиффузии, что приводит к обратному (убывающему) ность, большое отношение высоты к диаметру, квазиодхарактеру зависимости скорости роста ННК от попеномерность в оптоэлектронных спектрах и др. Уникальречного размера. Отметим, что диффузионный механизм ные свойства ННК обеспечивают перспективность их образования может реализоваться и при использовании применения в таких приборах, как электронные эмиттедругих методов формирования НК [27–29].

ры, микрогазоанализаторы и т. д. Хорошо известно, что При исследованиях методами просвечивающей элекразличные оптоэлектронные и механические свойства тронной микроскопии (ПЭМ) структуры НК GaAs, вынанообъектов сильно зависят от их структуры [6,10–17], ращенных как с помощью металлоорганической газокоторая в свою очередь может определяться методом фазной эпитаксии, так и с помощью МПЭ, отмечалось получения.

образование двойников, дефектов упаковки и вюрцитной Сирс в [18] развил теорию формирования нитевидных фазы [1,2,6,24].

кристаллов (НК) вокруг винтовых дислокаций. ОднаСледует отметить, что, несмотря на близость энерко впоследствии было обнаружено, что НК не содергий образования [30] (различие составляет менее жат винтовых дислокаций [1,19,20]. Поэтому в рабо0.014 eV/at), формирование вюрцитной фазы в GaAs и тах [1,19–21] были предложены диффузионный механизм твердых растворах AlGaAs является уникальным эффеки механизм „пар–жидкость–кристалл“ (ПЖК) формиротом. Образование вюрцитной фазы в GaAs при выравания НК, не требующие наличия дислокаций в НК, но щивании на неактивированных поверхностях, насколько и не исключающие образования каких-либо дефектов.

нам известно, наблюдалось лишь однажды при использоИсследования формирования НК на поверхности вании весьма специфических условий роста [31]. Однако GaAs проводились в основном методами газотранспредставленные в работах [1,2,6,24] изображения не дапортного осаждения [1,10,12–17,20,22–24] в условиях ют полной уверенности в том, что наблюдаемая область подавления роста основной поверхности. В работах является протяженной вюрцитной фазой, а не результабыло показано, что в таких условиях реализуется ПЖК- том множественного дефектообразования. Кроме того, механизм роста НК, для которого характерной является в этих работах не объясняются причины (механизм) возрастающая зависимость скорости роста НК V от его образования вюрцитной фазы.

2122 И.П. Сошников, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, Ю.Б. Самсоненко, В.Г. Дубровский В.М. Устинов...

сти и формирования ННК in situ осуществлялся методом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО).

Исследование структуры ННК проводилось методами ПЭМ на электронном микроскопе СМ 200FEG. Подготовка образцов осуществлялась по традиционной методике, включающей механическую обработку и травление ионами Ar+ с энергией E = 4 keV на финальной стадии.

Отметим, что для сохранения НК на поверхности склеивание образцов проводилось без сжатия. Анализ изображений выполнялся при помощи специализированной программы DIAnaTEM [32].

Специальные исследования показали, что структуры НК, выращенных на поверхностях (100) и (111)B, идентичны. Кроме того, не обнаружено зависимости структуры НК от содержания Al в исследованном диапазоне.

Образование морфологии ансамблей НК Al0.3Ga0.7As и GaAs характеризуется переходом к точечным картинам ДБЭО. Пример такой картины в азимуте (110) приведен на рис. 1. Анализ полученных картин ДБЭО Рис. 1. Картина ДБЭО от поверхности GaAs (111)B с показывает, что они представляют собой комбинацию массивом НК, полученная в проекции (110).

дифракции на объемных кубическом (сфалерит) и гексагональном (вюрцит и/или политип 4H) кристаллах.

Отметим, что картины дифракции показывают наличие Поэтому в настоящей работе проводятся исследова- двух ориентаций кубической фазы, развернутых отнония структуры ННК GaAs и AlGaAs, выращенных мето- сительно друг друга на 180 вокруг оси ННК. Хадом МПЭ, с целью выяснения возможных механизмов рактерное соотношение расстояний между рефлексами, образования вюрцитной фазы.

идентифицируемыми для гексагональной фазы, в латеРост ННК Al0.3Ga0.7As проводился по оригинальной ральном и нормальном поверхности роста направлениях методике трехстадийного формирования объектов, пред- равно 1.90 ± 0.05. Полученное значение соответствует ложенной ранее [3–5]. Отметим, что ключевым момен- соотношению межплоскостных расстояний (001)/(1120) том этой методики является применение метода МПЭ в кристаллах Al0.3Ga0.7As и GaAs типа вюрцита и/или в сочетании с разработанными нами способами форми- политипа 4H.

рования мелкодисперсных металлических пленок [3–5]. На рис. 2 приведены примеры электронно-микроскоВ качестве подложек использовались пластины арсенида пических изображений поперечного сечения образцов галлия АГЧК-3 с ориентацией поверхности (111)B и НК с Al0.3Ga0.7As и GaAs, выращенными на поверхности (100). Предварительный контроль состояния поверхно- GaAs (111)B. Наблюдается несколько типов форм обраРис. 2. Электронно-микроскопические изображения поперечных сечений (110) НК GaAs, выращенных на поверхности GaAs (111)B, с морфологией „призма“ (a), „бутылочное горло/усеченная пирамида“ (b) и „призма/усеченная пирамида“ (c).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Атомная структура нитевидных нанокристаллов GaAs, выращенных методом... Рис. 3. Светло- (a) и темнопольное (b) (220) электронно-микроскопические изображения и электронная микродифрактограмма (c) участка ННК GaAs с переменной структурой.

зующихся ННК или их комбинаций (рис. 2): призмы (a), ние характерных размеров в направлениях, продольном сужающиеся к вершине в виде „бутылочного горла“ (b) и поперечном оси ННК, равно 1.92 ± 0.02. Оценка и усеченной пирамиды (c). Отметим, что размеры всех характерных расстояний дает величины 0.652 и 0.341 nm трех типов формы или их комбинаций могут варьиро- в продольном и поперечном оси ННК направлениях ваться в перекрывающихся пределах и более подробно соответственно. Наблюдаемая картина дифракции имеет изучены в других работах [5]. вид, характерный для сечения [1100] гексагонального Электронно-микроскопические изображения ННК, кристалла. Однако появление в электронограмме ре полученные в структурно-чувствительных отражени- флексов, идентифицируемых как [0001] и [0001], свидеях (220) (рис. 3), показывают, что ННК содержат об- тельствует об образовании политипной структуры 4H.

ласти с различной кристаллографической структурой. Пример высокоразрешающего электронно-микроскоОтметим, что в ряде случаев обнаружено случайно- пического изображения ННК GaAs, содержащего обпериодическое изменение структуры, по-видимому ана- ласти с различными фазами, приведен на рис. 4. Вылогичное наблюдавшемуся в [1,2,23,24]. Электронная сокоразрешающее электронно-микроскопическое изобдифрактограмма от нескольких ННК, которая приведена ражение выделенной на рис. 4 области также имеет на рис. 3, c, является комбинацией дифракционных кар- вид, характерный для сечения [1100] гексагонального тин от областей с различными фазами и ориентацией. кристалла (вюрцита и/или политипов 4H). Фурье-образ В частности, можно выделить рефлексы, характерные от изображения имеет такую же структуру, как и на для картин дифракции от GaAs (и/или Al0.3Ga0.7As) дифрактограмме, и содержит моды, соответствующие ре в направлении (110), развернутых относительно друг флексам [0001] и [0001]. Таким образом, подтверждается друга на 180 вокруг оси ННК. Кроме того, наблюдаются сделанный выше вывод о формировании политипов 4H.

отражения, типичные для двойников. Однако получен- Оценки межплоскостных расстояний на основе прямого ные электронные дифрактограммы содержат систему изображения дают величины 0.326 и 0.341 nm для прорефлексов, которые не могут быть объяснены в рамках дольного и поперечного направлений соответственно, рассеяния на сфалеритном типе кристалла. Электронная что отвечает межплоскостным расстояниям (0002) и дифрактограмма от выделенной области, приведенная (1100) для вюрцита GaAs. Аналогичные результаты на рис. 3, c, получена в направлении, совпадающем с получены и для НК Al0.3Ga0.7As.

осью зоны (110) для подложки, и содержит рефлексы, Сопоставление формы и структуры ННК Al0.3Ga0.7As расположенные в виде прямоугольной сетки. Соотноше- и GaAs (рис. 2) показывает, что при формах ННК в виде Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 2124 И.П. Сошников, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, Ю.Б. Самсоненко, В.Г. Дубровский В.М. Устинов...

Рис. 4. Высокоразрешающие электронно-микроскопические изображения участков ННК (a, b, d) и электронные дифрактограммы (c, e) от выделенных областей с кубической (b, c) и гексагональной (d, e) кристаллической структурой.

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение участка ННК GaAs с переменной структурой вблизи боковой грани ННК.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Атомная структура нитевидных нанокристаллов GaAs, выращенных методом... „бутылочного горла“ и призмы может наблюдаться как на ростовой поверхности связано с эффективным закубическая, так и гексагональная фаза. В то же время полнением очередного слоя адатомов [36]. Величина при форме ННК в виде усеченной пирамиды происходит эффективного заполнения при этом изменяется квазиобразование кубической фазы.

периодическим образом, что связано с образованием Отметим, что иногда в ННК Al0.3Ga0.7As и GaAs следующего слоя адатомов. Следовательно, при дифнаблюдается квазипериодическая трансформация фаз.

фузионном механизме роста ННК поступление атомов Кроме того, имеют место слабые изменения толщины Ga, зависящее от пересыщения на неактивированной ННК (рис. 5), свидетельствующие о структурных напряповерхности, и как следствие содержание Ga в каплежениях.

активаторе роста могут изменяться квазипериодическим Наблюдаемые квазипериодические трансформации образом, что будет приводить к соответствующей трансфаз могут быть объяснены в рамках кинетической формации фаз в капле и ННК.

теории роста кристаллов, так как латеральный размер Таким образом, в настоящей работе показано, что ННК составляет величину порядка 10–100 nm, что супри выращивании ННК GaAs и Al0.3Ga0.7As могут щественно меньше эффективных размеров зародыша на формироваться области вюрцитной и политипной фаз поверхности при рассматриваемых условиях ( 1000 nm с размерами до 100 nm и более. Формирование геки более). Поэтому можно предположить, что послойсагональной вюрцитной и/или политипной структуры ный рост кристаллической фазы на вершине ННК из объясняется влиянием структурных трансформаций в пересыщенного раствора Au–GaAs идет по механизму капле-катализаторе.

одноцентрового зарождения [33]. Это означает, что один зародыш успевает заполнить всю грань до образования Авторы выражают благодарность В.П. Улину за полезследующего зародыша. Следовательно, структура ННК ное обсуждение.

будет латерально однородной в пределах слоя.

В [2,24] было показано, что содержание As в каплеСписок литературы катализаторе очень невысокое. Величина соотношения Ga/Au по оценкам [2,24] может варьироваться в диапа[1] K. Hiruma, M. Yazawa, K. Haraguchi, K. Ogawa, T. Katsuyaзоне от 1 до 15%. Оценка параметра решетки сплава по ma, M. Koguchi, H. Kakibayashi. J. Appl. Phys. 74, 5, картинам микродифракции электронов дает величину (1993).

4.07 ± 0.02, что при сопоставлении с зависимостью [2] B.J. Ohlsson, M.T. Bjork, M.H. Magnusson, K. Deppert, содержания раствора от параметра решетки дает величиL. Samuelson, L.R. Wallenberg. Appl. Phys. Lett. 79, 20, ну соотношения Ga/Au 0.1. В соответствии с фазовой (2001).

диаграммой [34,35] в рабочей области температур и [3] V.G. Dubrovskii, I.P. Soshnikov, G.E. Cirlin, A.A. Tonkikh, составов сплава Au–Ga могут наблюдаться фазы L,, Yu.B. Samsonenko, N.V. Sibirev, V.M. Ustinov. Phys. Stat. Sol.

или их комбинация. Отметим, что фаза (твердый (b) 241, 7, R 30 (2004).

раствор замещения) имеет кубическую симметрию, [4] А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, И.П. Сошниа перитектическая фаза обладает симметрией ков, В.М. Устинов. ФТП 38, 10, 1239 (2004).

гексагонального типа P63/mmc. Флуктуации состава [5] И.П. Сошников, А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсосплава и температуры могут приводить к изменению ненко, В.М. Устинов. Письма в ЖТФ 30, 18, 28 (2004).

структуры сплава. Рост GaAs с каплей-катализатором [6] X. Duan, J. Wang, C.M. Lieber. Appl. Phys. Lett. 76, 9, сплава Au-Ga, по-видимому, должен протекать с насле(2000).

дованием симметрии структуры затравки-катализатора. [7] Z.H. Wu, X.Y. Mei, D. Kim, M. Blumin, H.E. Ruda. Appl.

Последнее предположение объясняет возникновение Phys. Lett. 81, 27, 5177 (2002).

[8] X. Mei, D. Kim, H.E. Ruda. Appl. Phys. Lett. 81, 2, структуры политипа 4H как результат наследования (2002).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.