Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами (1091893), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Часто выделяют следующиемеханизмы роста [92]:1.Послойный рост (по механизму Франка – ван дер Марве),который реализуется в случае, когда атомы пленки связаны с атомамиподложки более сильными связями, чем друг с другом. В результате, ростследующего слоя пленки не начинается, пока не завершится формированиепредыдущего.
Такой рост также называют двумерным.2.Островковый рост (по механизму Вольмера – Вебера). В этомслучае атомы пленки сильнее связаны друг с другом, чем с атомамиподложки, что приводит к формированию трехмерных островков.3.Послойный–островковый рост (по механизму СтранскогоКрастанова). Этот механизм является промежуточным между послойным иостровковым, в котором после завершения роста двумерного слояпроисходит формирование трехмерных островков. При этом толщинапромежуточного слоя определяется природой взаимодействующих веществ икинетикой реакции.Послойный ростПослойный–островковыйростОстровковый ростРисунок 1.13 − Иллюстрация механизмов эпитаксиального ростапленокВ работе [93] представлена математическая модель, описывающаяразличные механизмы роста исходя из поверхностных натяжений (работы36выхода по созданию поверхности единичной площади) подложки, пленки играницы раздела:(1.1)где S – поверхностное натяжение подложки, F – поверхностное натяжениепленки, S/F – поверхностное натяжение границы раздела, − уголсмачивания.
Рассматривая (1.1) для случай послойного (=0) и островкового(>0) роста, можно получить следующие условия:(послойный рост)(1.2)(1.3)(островковый рост)В случае послойного–островкового роста выполняется условие (1.3),однако формирование промежуточного слоя приводит к изменению величинS и S/F, и далее выполняется условие (1.2).Формирование островков происходит следующим образом. Атомы изгазовой фазы могут оседают на подложке с количеством посадочных мест n0,а также могут мигрировать по ее поверхности [92]:( ⁄)(⁄)(1.4)В результате может произойти, как испарение атома обратно в газовуюфазу, так и присоединение атома к уже существующим островкам (дефектам,ступенькам) или слияние адсорбированных атомов между собой.Форма островков зависит от условий роста.
Они могут иметьразветвленный (фракталоподобный) вид, или представлять собойкомпактные островки правильной геометрической формы с относительнопрямыми и равноосными краями. Компактность островка определяетсяспособностью захваченного атома мигрировать вдоль края островка ипересекать углы, где сходятся два края. Формирование разветвленныхостровков происходит, как правило, при пониженных температурах, когдадиффузионная активность атомов невелика. В предельном случае, атом37присоединяется к островку и остается неподвижным. Этот случайописывается моделью агрегации при ограниченной диффузии, согласнокоторой будут образовываться островки, не зависящие от геометриирешетки, толщина ветвей которых составляет порядка одного атома [93].Однако на практике описанная модель, как правило, никогда не выполняется,т.к.
атомы, присоединяющиеся к островку, всегда проходят некоторый путьдо того, как найдут наиболее энергетически выгодное положение. При этомпроисходит рост поликристаллической мелкозернистой, или аморфнойпленки. В общем случае, равновесная форма островков определяетсяминимизацией свободной энергии ступеней, их ограничивающих.Рост островков может происходить по механизму коалесценции(слияния островков), и в результате «дозревания» (за счет диффузионногопотока адатомов от более мелких островков). Подвижность атомов, какправило, достаточна для образования островка равновесной формы врезультате коалесценции. Если островки коалесцируют в результатесобственного движения, то говорят о динамической коалесценции.Ситуацию, когда островки коалесцируют за счет увеличения их размера входе напыления называют статической коалесценцией [92].Аналогично образованию островков из адатомов, возможнообразования объедений вакансий (например, при ионной бомбардировке),при этом характеристики (форма, рост) островков обоих типов во многосхожи.Наряду с описанным выше механизмом, в ряде случаевэкспериментально наблюдается механизм, в ходе которого на начальнойстадии формируется расплав осаждаемого материала на поверхностиподложки.
Это связано с тем, что температура плавления небольшихзародышей ниже, чем температура плавления объемной фазы, и реализуетсяпри температурах T<(2/3)Tпл.В случае гомоэпитаксии, при сравнимых значениях свободной энергииповерхности пленки и подложки, происходит послойный рост пленки помеханизму Франка – ван дер Мерве. Однако на практике условия ростадалеки от равновесных, и кинетические ограничения, связанные с конечнымискоростями массопереноса, могут сильно влиять на механизм роста.38Наибольшую роль играют внутрислойный и межслойный массоперенос,относительные скорости которых определяют механизм роста [94].В случае гетероэпитаксиального роста несоответствие пленки иподложки можно оценить зависимостью (1.5):(1.5)где b – параметр решетки пленки, a – параметр решетки подложки.В зависимости от значения различают соразмерный, псевдоморфныйи дислокационный рост (рисунок 1.14) [92].ЭпитаксиальныйростПсевдоморфныйростДислокационный ростРисунок 1.14 – Эпитаксиальный и гетероэпитаксиальный рост пленокНебольшие расхождения в параметрах решеток пленки и подложкимогут быть скомпенсированы за счет упругих напряжений (псевдоморфныйрост).
При больших значениях напряжение релаксируются за счетобразования дислокаций на границедислокациями можно определить как (1.6):раздела.Расстояниемежду(1.6)||Разновидностью послойного механизма является спиральный механизмроста на выходах винтовых дислокаций.Авторы [95] разработали модель гетероэпитаксиального роста, вкоторой рассмотрены две крайние ситуации. В случае малого несоответствия39пленка эластично натягивается, приводя к соответствию параметров решеткипленки и подложки на интерфейсе. Т.к. подложка значительно массивнеепленки, она не деформируется. В условиях роста (при повышеннойтемпературе) пленка остается в напряженном состоянии. В процессеохлаждения до комнатной температуры, из-за различия в коэффициентахтермического расширения, напряжение в пленке изменяется. В случае еслиэластичное поведение преобладает во всем температурном диапазоне,напряжение в пленке можно описать (1.7):((1.7))где E и ν – модуль Юнга и коэффициент Пуассона соответственно, значенияas и af – постоянные решеток массивных материалов подложки и пленки прикомнатной температуре.При больших несоответствиях постоянных решеток формируютсядислокации на интерфейсе.
На некотором удалении от интерфейса пленкаприходит в равновесие и становится ненапряженной. В этом случае((1.8))где T – разность между комнатной и температурой роста.Коэффициенты σ1 и 2 зависят не только от несоответствия постоянныхрешеток, но и от толщины пленки. Авторы [96] определили критическуютолщину пленки (1.9):()((1.9))где b – вектор Бюргерса, r – радиус поля напряжения дислокаций, –коэффициент несоответствия.Из (1.9) следует, что критическая толщина уменьшается с увеличениемнесоответствия решеток пленки и подложки.Значительное рассогласование решеток является обязательнымусловием реализации механизма роста Странского Крастанова, которыйзаключается в формировании смачивающего слоя толщиной в несколько40моноатомных слоев по послойному механизму, на котором далее происходитрост трехмерных островков.
При этом смачивающий слой деформируется (засчет упругих напряжений) так, чтобы его постоянная решеткисоответствовала постоянной решетки подложки. Если энергия деформациисмачивающего слоя ниже поверхностной энергии пленки, то дальнейшийрост будет послойным, с дислокационной релаксацией напряжений наинтерфейсе. В противном случае, компенсация напряжений приведет кобразованию островков.В работе [97] авторы, изучая кристаллизацию пленок различныхсоставов на подложке LaAlO3, полученные пиролитическим методом,наблюдали влияние подложки на зародышеобразование: соответствиепараметров подложки и пленки позволило понизить температурукристаллизации на 100С (по данным работ [98, 99] температурукристаллизации удавалось снизить на 250С). Рассогласование постоянныхрешеток привело к росту разноориентированных монокристаллитов, приэтом полная кристаллизация пленки происходила при много большихтемпературах.
Аналогичные данные были получены при кристаллизацииметаллических пленок в [100].Авторами [97] было рассмотрено два механизма кристаллизации.Первый из них заключался в формировании промежуточногоэпитаксиального слоя на интерфейсе пленка/подложка. Второй механизмописывает формирование разнонаправленных кристаллитов.
Первым этапомявляется формирование поликристаллической пленки, размеры кристаллитовкоторой сравнимы по толщине с самой пленкой. За счет разницы внутреннейи поверхностной энергий кристаллитов происходит их увеличение. Когдаразмер кристаллита достигает величины толщины пленки, его ростпроисходит за счет соседних с ним кристаллитов, ориентированныхотличным образом. Так формируется монокристаллическая пленка. При этомстрогое соответствие параметров решеток пленки и подложки не обязательно(рисунок 1.15).41Аморфная пленкаЭпитаксиальный подслойМонокристаллическаяподложкаКристаллизацияМонокристаллическая подложкаАморфная пленкаПоликристаллическаяпленкаПоликристаллическаяпленкаМонокристаллическаяпленкаабРисунок 1.15 – Механизмы кристаллизации тонких пленок [97]В работе [84] методом ИЛЭ были получены пленки CoFe2O4 и NiFe2O4на подложках MgO, MgAl2O4, SrTiO3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
