Кристаллизация теллурида кадмия на охлажденной жидким азотом монокристаллической подложке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кристаллизация теллурида кадмия на охлажденной жидким азотом монокристаллической подложке

Беляев Алексей Петрович, Рубец Владимир Павлович и Беляева Светлана Александровна

Кафедра физической и коллоидной химии. Санкт- Петербургская государственная химико-фармацевтическая академия. Ул. Проф. Попова, д.14, лит.А. г. Санкт-Петербург, 197376.

Россия. Тел.: (820) 234-19-28. E-mail: Alexei.Belyaev@pharminnotech.com.

Кафедра аналитической химии. Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет). Московский пр-т, 26. г. Санкт-Петербург, 190013. Россия.

Тел.: (812) 494-93-71. E-mail: vladimir@mail.ru

Аннотация

Сообщается о гетроэпитаксии при сверхнизких температурах. Эффект образования упорядоченного монокристаллического состояния наблюдается при конденсации полупроводниковых пленок из паровой фазы на кристаллическую подложку, охлаждаемую жидким азотом. Продемонстрирована возможность целенаправленного воздействия на кристаллический тип и кристаллическое совершенство синтезируемых объектов.

Представлены результаты технологических экспериментов и структурных исследований пленок соединений А2В6, формируемых на подложке из слюды и кремния.

Приводятся диаграммы конденсации, микрофотографии, спектры дифракции электронов и рентгеновских лучей.

Ключевые слова: гетроэпитаксия, сверхнизкие температуры, тонкие пленки, синтез из паровой фазы, структурные исследования, соединения А2В6.

гетроэпитаксия монокристаллический полупроводниковый пленка

Введение

В [1-4] были представлены результаты исследований кристаллизации парацетамола на подложке охлажденной подложке. Ниже сообщается о кристаллизации на охлажденной под-ложке теллурида кадмия.

Рис. 1. Схематическое изображение опытов по исследованию потока, отражого от подложки: 1 - поток конденсируемого вещества, 2 - пластинка со щелью, 3 - слюдяное кольцо, 4 - подложка, 5 - «ореол», 6 - синтезируемая пленка

Принято считать, что эпитаксиальный рост возможен лишь при повышенных температурах [5]. Предполагается, что с понижением температуры подложки, слои становятся менее упорядоченными. Нами же был обнаружен новый эффект образования упорядоченного монокристаллического состояния пленок соединений А2В6 при их конденсации на кристаллические подложки, охлаждаемые до температуры жидкого азота. Опыты показали, что при некоторых температурах подложки порядка -100 оС пленочная система неожиданно упорядочиваться. Изложению, полученных нами экспериментальных данных и посвящена настоящая работа.

Экспериментальная часть

Исследовались образцы, синтезированные методом термического вакуумного испарения и конденсации [6-9]. Испаряемое вещество в виде порошка [10-11] помещалось в специальный кварцевый реактор, снабженный спиралью, а подложка из слюды-фторфлогопит помещалась в устройство с холодопроводом. Реактор, отделенный от подложки заслонкой, разогревался, а подложка охлаждалась жидким азотом. После достижения требуемых температур, для осуществления синтеза реактор и подложка совмещались. Время синтеза не превышало нескольких секунд. Образцы выращивались при разных температурах реактора и разных температурах подложи. Температура реактора варьировалась от 873 до 973К, а температура подложки от 77К до комнатной. Температуры контролировались соответственно хромель-алюмелевой и медь-константановой термопарами. Исследовались пленки толщиной от сотых долей до 1 мкм.

Подложка представляла собой искусственную слюду фтрорфлогопит, поверхность которой имела ориентацию (0001).

Для снижения влияния остаточной атмосферы и загрязнений подложки ее перед нанесением пленки отжигали в вакууме при температуре 800К, а вакуумированный объем продували осушенным аргоном. Для оценки коэффициента аккомодации и определения характера потока, отражаемого подложкой, проводились специальные контрольные опыты по схеме, показанной на рис. 1. На подложку 4 накладывалось слюдяное кольцо 3, поверх которого располагалась пластинка слюды с узкой щелью 2. На щель под углом направлялся молекулярный поток 1 от испарителя, а затем после синтеза исследовалась поверхность пластинки со щелью, обращенная к подложке, на которой образовывался «ореол» из конденсируемого вещества 5. Изучение показало, что на всех стадиях роста на поверхности пластинки, обращенной к подложке, образуется равномерный "ореол" с плохо ориентированной структурой, близкой к аморфной.

Влияния излучения испарителя на температуру поверхности охлажденной подложки проверялась по рельефу на тонком слое легкоплавкого вещества (Т = 320 К), который помещался перед незаполненным порошком реактором в условия, моделирующие синтез пленок. Размытия рельефа после опыта выявлено не было.

Морфологию поверхности образцов и их микродифракцию исследовали на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100. О структуре образцов судили по дифракции быстрых электронов (RHEED) и спектру рентгеновских лучей (ДНР «Дифрей»).

Результаты и их обсуждение

Основные результаты эксперимента представлены на рис. 2-8. Рис. 2 демонстрирует диаграммы конденсации пленок теллурида кадмия. Отличительной чертой диаграммы является наличие в ней двух температурных областей с экспоненциально низкой скоростью роста (области I и II на рис. 2). Пленки, выращенные при этих температурах, отличались совершенством кристаллической структуры. Этот факт демонстрирует рис. 3, на котором представлены картины дифракции электронов от поверхности пленок, синтезированных при температурах Ts = 220К и Ts = 180К (соответственно рис. 3а и 3б) в сравнении с картиной дифракции, характерной для пленок, синтезированных в иных условиях (Ts = 260К рис. 3c).

Рис. 2. Диаграммы конденсации пленок теллурида кадмия синтезируемых на подложке из слюды фторфлогопит при плотности падающего потока R. Кривая 1 - R = 1.8 1017 см-2с-1; Кривая 2 - R = 8.0 1017 см-2с-1; Кривая 3 - R = 8.5 1018 см-2с-1.

Между собой пленки, выращенные при режимах I и II, отличались модификацией кристаллической структуры. Для первых была характерна кубическая модификация, для вторых - смесь кубической и гексагональной модификаций. Подтверждением сказанного являются рентгенодифрактограммы, представленные на рис. 4.

а) б)

в)

Рис. 3. Картина дифракции электронов от поверхности пленок теллурида кадмия, синтезированных на подложке из слюды фторфлогопит при плотности падающего потока R = 1.8. 1017см2с-1 и при температуре подложки Ts. a - Ts.= 220K; б - Ts.= 180K; в - Ts.= 260K

Рис. 4. Рентгенограммы от пленок теллурида кадмия, синтезированных при плотности падающего потока R = 1.8 1017см2с-1 и температуре подложи Тs = 220К (a) и Тs = 180К (б)

На рис. 5 изображена пленка на холодной подложке в просвечивающем электронном микроскопе на разных стадиях роста. Рост пленки начинается с появления островков с линейными размерами 20-25 нм, существенно отстоящих друг от друга (рис. 5а). В их расположении не наблюдается определенной регулярности. С увеличением времени синтеза происходит заращивание поверхности подложки островками того же размера (рис. 5б, в). На определенной стадии пленка становится сплошной (рис. 5г). Микродифракцию от такой пленки демонстрирует рис. 6а.

Рис. 5. Изображение пленки теллурида кадмия в просвечивающем электронном микроскопе на разных стадиях роста при синтезе на подложку из слюды, охлажденную до температуры TS = 180К

Рис. 6. Картина микродифракции электронов (а) и картины дифракции электронов от поверхности (б, в) пленки CdTe, синтезированной на подложке при температуре подложки TS =180К (а), пленки CdS, синтезированной при Тs = 200К (б) и пленки золота, при TS =125К. Подложка - слюда фторфлогопит

Описанный эффект упорядочения при низких температурах имел место не только в теллуриде кадмия и не только при синтезе на слюде. Мы наблюдали его при синтезе пленок золота и при синтезе других соединений А2В6 на подложки из слюды и кремния. Однако для других систем температуры упорядочения были иными. Например, для сульфида кадмия (рис. 6б) рост совершенных пленок можно было наблюдать при температуре подложки TS = 205К, для пленок твердых растворов СdSxTe1-x, в зависимости от состава упорядочение наступало в диапазоне температур 205-220К, а для золота при TS = 125К (рис. 6в).

Строгого, количественного объяснения описанного эффекта, на сегодняшний день не существует. Качественно его можно объяснить моделью, согласно которой ориентация частиц новой фазы в поле подложки осуществляется бездиффузионным путем солитонами, инициируемыми дислокациями несоответствия кристаллических решеток осаждаемого вещества и подложки [12-13].

Выводы

Сверхнизкие температуры при вакуумном синтезе из паровой фазы позволяют реализовать управляемый бездиффузионный механизм упорядочения полупроводниковых пленочных систем, и тем расширяют возможности получения новых функциональных материалов: резких гетеропереходов, пленочных систем разной кристаллической модификации и разной степени кристаллического совершенства.

Литература

1. Беляев А.П., Рубец В.П., Антипов В.В., Рыбников А.О., Беляева С.А. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №3. С.113-119.

2. Беляев А.П., Рубец В.П., Антипов В.В., Бордей Н.С. Особенности формирования структуры молекулярных кристаллов при вакуумном синтезе парацетамола. Журнал физической химии. 2015. Т.89. №4. С.586-591.

3. Беляев А.П., Рубец В.П., Антипов В.В., Бордей Н.С., Зарембо В.И. Фазовый переход пар - кристалл при синтезе пленок парацетамола методом вакуумного испарения и конденсации. ЖТФ. 2014. Т.84. В.3. С.141-143.

4. Беляев А.П., Рубец В.П., Антипов В.В., Бордей Н.С. Фазовые превращения при формировании кристаллов парацетамола из паровой фазы. ЖТФ. 2014. Т.84. В.7. С.156-158.

5. D. Kashchiev. Nucleation Basic Theory with Applications, Butterworth Heinemann, Oxford 2000. 585р.

6. Беляев А.П. Кучук В.И. Физическая и коллоидная химия. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2012. 752с.

7. Беляев А.П., Рубец В.П., Калинкин И.П. Проводимость, стимулированная осцилляциями температуры в распавшихся твердых растворах сульфида и теллурида кадмия. ФТП. 1997. Т.31. №8. С.966-968.

8. Беляев А.П., Рубец В.П., Калинкин И.П. Оптический край поглощения и его модификация при распаде пленок твердых растворов теллурида и сульфида кадмия. ФТП. 1997. Т.31. №5. С.635- 638.

9. Беляев А.П., Рубец В.П., Антипов В.В. Механизм нуклеации ориентированных пленок теллурида кадмия, формирующихся в резко неравновесных условиях. ФТП. 2006. Т.40. №7. С.790-793.

10. Широкова И.Ю., Кучук В.И., Беляев А.П., Шевченко Н.Н., Голикова Е.В. Агреативная устойчивость дисперсных систем. Часть 1. Исследование электроповерхностных свойств и кинетики коагуляции монодисперсных полимерных частиц с карбоксилированной поверхностью. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №2. С.29-38.

11. Родионова Е.Ю., Дмитриева И.Б., Чухно А.С. Влияние состава дисперсионной среды на устойчивость и электрические свойства билирубина. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №1. С.55-61.

12. Беляев А.П., Рубец В.П., Калинкин И.П Сравнительный анализ начальных стадий роста эптиксиальных пленок теллурида кадмия на нагретых и охлажденных подложках. Неорганические материалы. 1998. Т.34. №3. С.283-287.

13. Беляев А.П., Рубец В.П. Гетероэпитаксия полупроводниковых соединений А2В6 на охлажденной подложке. ФТП. 2001. Т.35. №3. С.294-297.

Размещено на Allbest.ru