Mavzu: Nanotuzilmalarni hosil qilishning epitaksial usullari. Molekulyar nurli epitaksya. Epitaksya usulida kvant nurlarini o’z-o’zidan tashkillashish vositasida shakillantirish

Epitaksya ( yunoncha epi- ustidagi, ustida va taxis joylashuv , tartib so’zlaridan olingan) bir kristalning (taglikning ) sirtida boshqa kristalning yo’nalishli o’sishi.
Kristalning sirtiga kerakli atomlarni gaz fazadan ham, suyuq fazadan ham epitaksyasini amalga oshirish mumkin. Epitaksya jarayoni odatda taglikda alohida kristallarning paydo bo’lishi bilan boshlanadi, bu kristallar bir-biriga o’sib uzluksiz pardani hozil qiladilar. Epitaksyaning zamonaviy metodlari qilinganligi bir necha atomlar qatlamlarini , hamda turlicha fizik kimyoviy xossali qatlamlarni ketma- ket o’stirishga imkon beradilar. Epitaksya mikroelektronikada ( tranzistorlar, integral mikrosxemalar, yorug’lik texnikasida ) keng qo’llanilinmoqda.
Epitaksya jarayonini amalga oshirishning eng zamonaviy metodi molekulyar nur epitaksyasi hisoblanadi. Bu metodda tayyorlangan va tozalangan taglikka alohida atomlarning oqimlari yo’naltiriladi.
Taglikning sirtiga yetib borib atomlar u yoki bu usul bilan tartiblanadilar va bizga kerakli strukturani hosil qiladilar.

1. 
   Nanotuzilmalarni hosil qilishning epitaksial usullari.
   

Hozirgi vaqtda ikki o'lchovli kristallar (2D materiallar) va kvant nuqtali tuzilmalar (0D materiallar) keyingi avlod elektronika va fotonika uchun eng istiqbolli materiallardan biri hisoblanadi. 2D va 0D tuzilmalari bilan geterostrukturalarni sintez qilishning asosiy usuli ularning molekulyar nur epitaksisi paytida o'z-o'zidan paydo bo'lishidir.
Uchta epitaksial o'sish rejimi ajralib turadi: Frank-van der Merve, Volmer-Veber va Stranski-Krastanow, bu ikki o'lchovli materiallar, kvant quduqlari va kvant nuqtalari bilan ko'p qatlamli tuzilmalarni olish imkonini beradi. Ushbu ishda nanostrukturalarning uchta mexanizm bo'yicha epitaksial o'sishining umumlashtirilgan kinetik modeli keltirilgan.
Turli xil o'sish usullarini taqqoslash amalga oshiriladi va ularning o'ziga xos xususiyatlari ko'rsatiladi. O'rnatilgan model yordamida olingan 2D va 0D nanostrukturalarning xususiyatlarini nazorat qilish usullari taklif etiladi.
Grafik abstrakt

Hozirgi vaqtda ikki o'lchovli kristallar (2D materiallar) va kvant nuqtali tuzilmalar (0D materiallar) keyingi avlod elektronika va fotonika uchun eng istiqbolli materiallardan biri hisoblanadi [1]. 2D materiallarning o'ziga xos xususiyatlari ular asosida yangi avlod qurilmalarini yaratishga imkon beradi:
topologik tranzistorlar, yuqori sezgir gaz datchiklari, energiyani ko'p talab qiluvchi energiya manbalari, termoelektr generatorlari va kvant kompyuterlari [2,3]. Shu bilan birga, kvant nuqtalari bo'lgan nanoeterostrukturalar yuqori samarali fotodetektorlar, quyosh batareyalari va yorug'lik chiqaradigan qurilmalarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin [4].
Bundan tashqari, ushbu tuzilmalar sirtni o'zgartirish va turli xil qoplamalarni yaratish uchun faol qo'llaniladi [5]. Ular, masalan, teksturali sirtlarni yaratish, aks ettirishga qarshi qoplamalar yoki fotonik kristallar va mikrorezonatorlarni amalga oshirish uchun qabul qilinishi mumkin [6,7].
Hozirgi vaqtda 2D va 0D tuzilmalari bilan geterostrukturalarni sintez qilishning asosiy usuli ularning molekulyar nur epitaksisi paytida o'z-o'zidan paydo bo'lishidir. Zamonaviy sanoatda turli xil ilovalar uchun 2D qatlamlarning qalinligi, elastik deformatsiyaning taqsimlanishi, nuqsonlarning mavjudligi yoki yo'qligi, o'rtacha o'lcham va sirt kabi parametrlar bilan belgilanadigan turli xususiyatlarga ega 2D qatlamlari va 0D kvant nuqtalari bilan geterostrukturalarni yaratish juda muhimdir.
Uchta epitaksial o'sish rejimi ajralib turadi: Frank-van der Merve, Volmer-Veber va Stranski-Krastanov [8,9].

Frank-van der Merve o'sish mexanizmi yotqizilgan material va substrat o'rtasida juda kam panjara mos kelmasligi bilan autoepitaxial tizimlarda va geteroepitaksial tizimlarda kuzatiladi.

Bunday holda, plyonka ikki o'lchovli mexanizm bilan yoki ikki o'lchovli orollarning paydo bo'lishi yoki monoatomik qadamlar hosil bo'lishi tufayli o'sadi [9]. Ushbu rejim 2D materiallarni (masalan, silis, germanen yoki stanen) yoki kvant quduqlari bo'lgan ko'p qatlamli tuzilmalarni epitaksial sintez qilish uchun ishlatiladi [1,2,5].
Nol bo'lmagan panjara mos kelmasligi bilan geteroepitaksial tizimlarda qatlam-qatlam o'sishi dastlabki bosqichlarda sodir bo'ladi. Biroq, qalinroq cho'kma qatlam ko'proq elastik energiyaga ega. Keyin uch o'lchamli orollarning yadrolanishi tufayli elastik kuchlanishni kamaytirishga qaratilgan tendentsiya paydo bo'ladi. Ushbu tizimlarda Stranski-Krastanov o'sish rejimi amalga oshiriladi. Natijada, yupqa namlovchi qatlam bilan qoplangan substratda 3D klasterlar hosil bo'ladi [9,10].
Nihoyat, Volmer-Veber mexanizmi juda mos kelmaydigan tizimlar uchun xos bo'lib, orolning o'sishi namlash qatlamini hosil qilmasdan to'g'ridan-to'g'ri substratda sodir bo'ladi [10].
Ushbu uchta mexanizm tadqiqotchilarga past o'lchamli tuzilmalarning barcha spektrini olish imkonini beradi: 2D materiallari bilan ko'p qatlamli tuzilmalar, kvant quduqlari va kvant nuqtalari.
Ikki o'lchovli qatlamlar va kvant nuqtalarining epitaksial hosil bo'lish jarayonlari uzoq vaqt davomida faol o'rganilganiga qaramay, bu masalada hali ham ko'plab bo'sh joylar mavjud, ayniqsa turli xil jarayonlarda sodir bo'ladigan jarayonlarni nazariy tavsiflashda. ikki o'lchovli tuzilmalar va nanoyorollarning o'sish bosqichlari. Har xil rejimlarda epitaksiya paytida kutilmagan ta'sirlarni ochib beradigan yangi eksperimental ishlar doimiy ravishda paydo bo'ladi.
Ikki o'lchovli qatlamlar va kvant nuqtalarining epitaksial hosil bo'lishi jarayonlari uzoq vaqt davomida faol o'rganilganiga qarab, bu masalada ham ko'plab bo'sh joylar mavjud, ayniqsa turli xil jarayonlarda sodir bo'ladigan jarayonlarni nazariy tavsiflashda. ikki o'lchovli tuzilmalar va nanoyorollarning o'sish bosqichlari. Har rejimlarda epitaksiya vaqtida keskin ta'sirlarni ochib beradigan yangi eksperimental ishlar doimiy ravishda paydo bo'ladi.
Ushbu ishda nanostrukturalarning uchta mexanizm bo'yicha epitaksial o'sishining umumlashtirilgan kinetik modeli keltirilgan. Turli xil o'sish usullarini taqqoslash amalga oshiriladi va ularning o'ziga xos xususiyatlari ko'rsatiladi. Belgilangan model yordamida sirtni o'zgartirish, qoplamalarni cho'ktirish va qurilmaga yo'naltirilgan tuzilmalarni yaratish maqsadida olingan 2D va 0D nanostrukturalarning xususiyatlarini nazorat qilish yo'llari taklif etiladi.
Biz Volmer-Veber mexanizmini Stranski-Krastanov o'sishini cheklovchi holat sifatida, agar namlash qatlamining kritik qalinligi nolga teng bo'lsa, va Frank-van der Merve mexanizmi bo'yicha o'sishni Stranski-Krastanovning cheklovchi holati sifatida ko'rib chiqamiz. ikki o'lchovli uch o'lchamli o'sishga o'tishning kritik qalinligining cheksiz o'sishi bilan o'sish. Orollarning yadrolanishi deyarli oraliq ikki o'lchovli qatlam hosil bo'lmasdan sodir bo'ladi.
Natijada, taqdim etilgan ishda Frank-van der Merve, Stranski-Krastanov va Volmer-Veber mexanizmlari bo'yicha epitaksial yadrolanish va ikki o'lchovli qatlamlar va kvant nuqtalarining o'sishining asosiy xususiyatlari tasvirlangan. 2D tuzilmalari va 3D orollarining turli mexanizmlar bilan o'sishining umumlashtirilgan kinetik modeli ishlab chiqilgan. Turli xil o'sish rejimlarini taqqoslash amalga oshiriladi va ularning o'ziga xos xususiyatlari ko'rsatiladi. Olingan 2D va 0D nanostrukturalarning xossalarini nazorat qilish usullari
2. Molekulyar nur epitaksisi.
Epitaksiya (yo'naltirilgan o'sish) - yotqizilgan plyonkaning kristalli yo'nalishi substrat materialining kristalli yo'nalishiga ta'sir qiladi va 1920-yillardan beri tan olingan. Epitaksial o'sish 1956 yilda D. Pashley tomonidan ko'rib chiqilgan. Molekulyar nur epitaksisi (MBE) - bu katta maydonli monokristal plyonkalarni hosil qilish uchun yotqiziladigan materialning atomlari yoki molekulalarining nurlaridan foydalanadigan ilg'or, murakkab vakuumli cho'kma jarayoni.
MBE birinchi marta K.Z. Gyunter 1958 yilda, lekin birinchi muvaffaqiyatli yotqizish ultra yuqori vakuum texnologiyasining rivojlanishini kutishi kerak edi. 1968 yilda J.E.Deyvi va T.Pankey MBE jarayoni orqali epitaksial GaA ni muvaffaqiyatli o'stirdilar. Yarimo'tkazgichli qurilmalar ishlab chiqarishda MBE dan zamonaviy foydalanish A.Y. Cho va J.R.Artur 1975 yilda III-V yarimo'tkazgich materiallarining o'sishi bilan.