Диссертация (Эпитаксиальный рост островков из кластеров металлов на поверхности высокоориентированного пиролитического графита в субмонослойном режиме), страница 7

Хорошовидно, что наибольшее число островков расположено вдоль дефектов ВОПГ. На приведенных в нижней части рисунка 1.13 увеличенных изображениях подложки с островками можновидеть, как отличается поверхностная плотность, форма и размеры островков в разных об-30ластях подложки из ВОПГ. Учитывая, что поверхность ВОПГ состоит из чешуек, которыемогут иметь различную кристаллографическую ориентацию, а также тот факт, что потокосаждаемых кластеров был одинаковым во всех рассматриваемых областях подложки, авторы объясняют приведенные выше отличия тем, что присутствует связь между подвижностью кластера и кристаллографической ориентацией поверхности ВОПГ. При этом различиямежду подвижностью кластеров для двух соседних чешуек могут быть настолько велики,что характер формирования островков на одной чешуйке может быть гетерогенным, а насоседней — гомогенным (рисунок 1.13, области a и b).1.1.5Применение островковОтличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники.

Примерами могут служить широкоприменяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов. Суспензии металлических наночастиц (обычножелеза или его сплавов) размером от 30 нм до 1–2 мкм используются как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателейнепосредственно в процессе работы [22].Рис. 1.10. Различия в строении островков в зависимости от толщины получаемой пленки:0,1 нм (a), 0,2 нм (b), 0,4 нм (c), 0,5 нм (d), 1,5 нм (e), 3 нм (f).

Изображения полученыпри комнатной температуре при одинаковом потоке [27].31Рис. 1.11. Тонкие пленки толщиной 0,5 нм, полученные при постоянном потоке кластеров иразличной температуре подложки: 300 K (a), 320 K (b), 353 K (c), 413 K (d), 353 K, причемостровок расположен в небольшой области подложки, окруженной со всех сторонграфитовыми ступеньками (e), 353 K, причем графитовый образец был отклонен во времяосаждения кластеров на угол 30∘ от его обычного положения, т.е. перпендикулярно осипучка кластеров (f) [27].При использовании технологии ОПНК возможно, ограничивая процесс слияние кластеров, сохранять размеры и исходные свойства кластеров, что необходимо, в частности,для производства пленок с заданными свойствами. Устройства, в которых используютсякластеры, находят применение во многих областях, к примеру, в нанооптике, наноэлектронике, нанобиологии, при этом необходима технология, позволяющая формировать массивы32Рис.

1.12. Островки, сформированные кластерами Au250 для тонкой пленки толщиной0,5 нм. Поток кластеров поддерживался постоянным [27].Рис. 1.13. Островки, сформированные кластерами Ag500 [56].33из наночастиц с регулируемой геометрией и периодичностью, и технология ОПНК можетбыть применена для осуществления такой задачи.Также технология ОПНК позволяет производить островки с различной дисперсией размеров — одинаковые по размеру островки могут быть использованы в производстве квантовых точек [60], применяющихся, в частности, в наноэлектронике, производстве систем хранения информации большой плотности.

Островки с большой дисперсией размеров могутобразовывать фильтрующие системы при многослойном нанесении кластеров [33].Упорядоченные островки нанометровых масштабов используются для производства миниатюрных электронных устройств [26]. Однако, следует отметить, что на нанометровыхмасштабах уменьшение размеров элементов изменяет их свойства. К примеру, полупроводники, чей размер составляет от единиц до десятков нанометров, демонстрируют интересныеособенности: по мере уменьшения их размеров растет ширина запрещенной зоны. Такженаличие связи между электронным свойствами материала и размерами образца из этогоматериала полезно при изготовлении квантовых точек [61, 62].Малые частицы металлов, сплавов и полупроводников широко применяются в катализехимических реакций [22].

Геометрический эффект катализа связан с соотношением числаатомов, расположенных на поверхности (на гранях), на ребрах и вершинах малой частицы иимеющих различную координацию. Например, каталитическая активность наночастиц платины по отношению к окислению СО растёт при увеличении размера частиц от 10 до 60нм. Это обусловлено тем, что молекулы СО и О2 , находящиеся на ребрах между гранями(100) и (111) наночастицы, менее подвижны и более прочно связаны с ребрами и близлежащими переходными участками между гранями, чем те же молекулы на гранях [63, 64].В результате на более крупных наночастицах Pt, где преобладают грани, катализ окисленияСО происходит лучше.Большой интерес вызывает разработка и производство магнитных наноструктур и изучение присущих им свойств [32]. Среди возможных областей применения подобных структур особо выделяется хранение данных с высокой плотностью и производство спинтронныхустройств.

С помощью технологии ОПНК можно осуществлять производство различных магнитных наночастиц для изучения присущих им свойств и особенностей их взаимодействиядруг с другом [18].Нанокластеры могут играть роль идеальных наноконтактов [47] за счет того, что онисохраняют форму и размер при вынужденном движении, к примеру, с помощью атомносилового микроскопа.34Отдельного упоминания заслуживает метод определения величины диффузии осажденных кластеров с помощью анализа поверхностной концентрации стабильных островков [23].Как показано выше, состоящие из кластеров островки широко используются в различных областях.

Для каждой области применения представляется важным получение островков с заранее предсказуемыми конкретными свойствами (определенная поверхностная плотность, форма, размер, расположение на подложке и пр.), в связи с чем необходимо получитьтеоретическое описание роста островков. В следующем разделе представлены некоторые теоретические методы описания роста.1.2Методы расчета роста островков1.2.1Теоретические методыНаиболее известным и давно используемым способом теоретического описания роста наноструктур является метод, основанный на анализе кинетических уравнений. С их помощьюописывается влияние элементарных процессов, выделяемых в процессе роста наноструктур,на число мономеров (отдельных частиц, движущихся по подложке) и рост островков определенного размера. Впервые такой подход для описания роста структур был применен в работах [65–68], где развивалась теория Френкеля [69]. В данных работах рассматривалось формирование тонких пленок из осаждаемых в условиях высокого вакуума атомов.

Отдельныеатомы способны перемещаться по подложке, более крупные объединения атомов считаютсянеподвижными. Была предложена следующая система стохастических уравнений для описания изменения концентрации атомов и островков на подложке:∞∑︁11=−− 21 − 1 =22= 21 − 1 223= 1 2 − 1 3...= 1 −1 − 1 (1.3)35Здесь 1 — концентрация отдельных атомов, — концентрация островков из атомов, — параметр столкновений, — число осаждаемых атомов,1характеризует число испаря-ющихся с подложки атомов, где — среднее время испарения атома с подложки. Слагаемое21 отвечает за формирование стабильных пар атомов, становящихся зародышами остров∑︀ков, слагаемое 1 ∞=2 описывает количество атомов, присоединяющихся к островкамв единицу времени.

Для второго и последующих уравнений системы изменение концентрацииостровков определенного размера вычисляется как разность между скоростью формирования островков этого размера и скоростью, с которой они увеличиваются.Основным недостатком описанной выше модели было отсутствие зависимости вероятности присоединения атомов к островку от размера островка, в то время как в экспериментальных работах отмечалось наличие подобной зависимости.

В связи с этим в работе [68]модель усложнилась за счет того, что параметр столкновений , бывший постоянным в уравнении (1.3), теперь начал считаться зависящим от диаметра островка или, что аналогично, отчисла составляющих его атомов , при этом зависимость имела вид ∼ 1/3 . В результатеповерхностная плотность островков стала возрастать медленнее, чем в случае постоянногопараметра слияния, а распределение их размеров стало шире, однако по-прежнему не наблюдалось удовлетворительного совпадения с экспериментом, поскольку необходимо былотакже учитывать форму островка.В 1970-х годах появились публикации, в которых уточнялись и совершенствовалисьвыражения, описывающие поверхностную плотность островков. В качестве основных работ по этой теме стоит упомянуть статьи [70, 71], где предлагается более точное выражениедля параметра, характеризующего присоединение атомов к островку (в работе [68] данныйпараметр назывался «параметром столкновений», в работе [70] он называется «параметромзахвата» (ПЗ).